Reiner Bidenbach

本文介紹了如何使用LTspice仿真來解釋由于使用外殼尺寸越來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。隨著對小型電子設(shè)備的需求，以及電流消耗的降低，對包括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。

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。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。該非線性模型評估電荷方程。由于需要電荷保持，因此不適合直接評估非線性電容模型。這在這里應(yīng)該不是問題，因?yàn)殡娙菔峭ㄟ^電荷相對于電壓的區(qū)分產(chǎn)生的。相反，必須形成電壓相關(guān)電容的積分。對于以下方法，已經(jīng)完成了此操作，因此無需任何數(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，通過積分，電荷方程

是屈服的。現(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)會高估有效電容。對于這種廣泛的情況，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 10 μF MLCC。

為了檢查LTspice中的電容器模型，恒定電壓斜坡

已應(yīng)用。然后，通過電容器的電流量與電容值完全對應(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。

最后，應(yīng)該注意的是，這里只模擬了一個非理想效應(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