Reiner Bidenbach

本文介紹了如何使用LTspice仿真來(lái)解釋由于使用外殼尺寸越來(lái)越小的陶瓷電容器而引起的電壓依賴性或直流偏置的影響。隨著對(duì)小型電子設(shè)備的需求，以及電流消耗的降低，對(duì)包括MLCC在內(nèi)的元件的尺寸要求受到限制。因此，電壓依賴性或直流偏置的影響也成為焦點(diǎn)。

陶瓷電容器的小型化需要在越來(lái)越小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的電容值。為此，正在采用具有高介電常數(shù)（ε）和越來(lái)越薄的介電絕緣層的材料，現(xiàn)在可以在工業(yè)規(guī)模上生產(chǎn)高質(zhì)量的陶瓷層。

不幸的是，介電常數(shù)εr= ?（→E） 是電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)，因此電容表現(xiàn)出電壓依賴性。根據(jù)陶瓷類型和層厚度，這種效果可能非常明顯。在最大允許電壓下，電容降至標(biāo)稱值的10%以下的情況并不罕見(jiàn)。

在施加到MLCC的恒定電壓的應(yīng)用中（例如，去耦電容器），可以很容易地考慮這種影響。只要電壓保持恒定，剩余電容值就可以從數(shù)據(jù)手冊(cè)或制造商提供的在線工具中獲取。

但是，如果電壓是可變的，例如圖4所示，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器上的輸入濾波器應(yīng)采用5 V的USB至24 V工業(yè)電源供電，該怎么辦？還是 2 線以太網(wǎng) PHY 的交流耦合，電源位于具有不同電壓值的同一線路上？

在這種情況下，采用LTspice的電路仿真可提供有用的見(jiàn)解。一些MLCC制造商已經(jīng)為下負(fù)載提供了相應(yīng)的直流偏置型號(hào)。此外，LTspice還提供了使用已實(shí)現(xiàn)的工具模擬電壓相關(guān)行為的方法。為此，電容與電壓的函數(shù)曲線和圖3中描述的方法之一很有用。

LTspice提供具有恒定電容的知名電容器模型以及非線性模型。該非線性模型評(píng)估電荷方程。由于需要電荷保持，因此不適合直接評(píng)估非線性電容模型。這在這里應(yīng)該不是問(wèn)題，因?yàn)殡娙菔峭ㄟ^(guò)電荷相對(duì)于電壓的區(qū)分產(chǎn)生的。相反，必須形成電壓相關(guān)電容的積分。對(duì)于以下方法，已經(jīng)完成了此操作，因此無(wú)需任何數(shù)學(xué)即可使用這些模型。

一階方法使用線性電壓依賴性

從中，通過(guò)積分，電荷方程

是屈服的?，F(xiàn)在，這可以直接插入LTspice命名法中，以代替電容器中的電容值：

Q=x*{c0V}-0.5*x**2*（{c0V}-{cVmax}）/{Vmax}.

然而，在許多MLCC中，即使在中等電壓下，最初幾乎恒定的電容也會(huì)迅速下降，之后幾乎保持不變。如果在這種情況下僅使用線性模型，則在較大電壓范圍內(nèi)會(huì)高估有效電容。對(duì)于這種廣泛的情況，可以使用基于雙曲正切線（tanh）的模型：

參數(shù)可以很容易地估計(jì)，而無(wú)需使用進(jìn)一步的輔助工具。

圖1.Tanh 近似函數(shù)和相關(guān)參數(shù)。

電容值也可以簡(jiǎn)單地用電荷方程代替

Q=x*（{C0+Csat}）/2+（{Csat-C0}）/4*{Vtra}*ln（cosh（（x-{Vth}）*2/{Vtra}））.

圖2.一個(gè) 10 μF MLCC。

為了檢查L(zhǎng)Tspice中的電容器模型，恒定電壓斜坡

已應(yīng)用。然后，通過(guò)電容器的電流量與電容值完全對(duì)應(yīng)，由于

圖3清楚地顯示了所提出的非線性模型優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)恒電容模型。有了這樣的電容曲線，線性模型就足以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。

圖3.10 μF 6.3 V 0805 MLCC的示例，具有LTspice中的各種電容型號(hào)。

最后，應(yīng)該注意的是，這里只模擬了一個(gè)非理想效應(yīng)。MLCC中還有許多其他影響，包括老化，溫度依賴性，頻率依賴流幅度依賴性，介電吸收等等。對(duì)于許多應(yīng)用，將直流偏置依賴性視為唯一的主導(dǎo)效應(yīng)就足夠了。LTspice可用作一種實(shí)用工具，用于在制造第一個(gè)原型之前考慮直流偏置等非理想性。

圖4.使用tanh模型從轉(zhuǎn)換器側(cè)仿真LT8619降壓型穩(wěn)壓器的輸入濾波器在不同電源電壓下的干擾電流抑制。

審核編輯：郭婷