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How to Use LTspice Simulations to Account for the Effect of Voltage Dependence 作者：ADI公司現場(chǎng)應用工程師 Reiner Bidenbach 問(wèn)題： 如何在電路仿真中考慮多層陶瓷電容器(MLCC)的直流偏置影響？ 
答案： 使用LTspice的非線(xiàn)性電容功能和合理的模型。 本文說(shuō)明如何使用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(lài)性（或直流偏置）影響。尺寸越來(lái)越小、功能越來(lái)越多、電流消耗越來(lái)越低，為滿(mǎn)足這些需求，必須對元件（包括MLCC）的尺寸加以限制。因此，電壓依賴(lài)性或直流偏置的影響也受到關(guān)注。 要實(shí)現陶瓷電容器的微型化，就必須在越來(lái)越小的空間內實(shí)現更高的電容值。為此，具有高介電常數(ε)和越來(lái)越薄的介電絕緣層的材料正在被實(shí)現，這使得現在有可能在工業(yè)級規模上生產(chǎn)高質(zhì)量的陶瓷層。 遺憾的是，介電常數εr = ƒ(
在將恒定電壓作用于MLCC的應用中（例如去耦電容），很容易考慮此影響。只要電壓保持恒定，就可以從制造商提供的數據手冊或在線(xiàn)工具中獲取剩余電容值。 但是，對于電壓可變的情況該怎么辦？例如在圖4中，開(kāi)關(guān)穩壓器上的輸入濾波器采用5 V USB電源至24 V工業(yè)電源供電。另一個(gè)例子是，2線(xiàn)以太網(wǎng)PHY與相同線(xiàn)路上不同電壓值的電源交流耦合。 在此類(lèi)情況下，使用LTspice進(jìn)行電路仿真可提供有用的洞察。有些MLCC制造商已經(jīng)提供了相應的直流偏置模型供下載。此外，LTspice提供了模仿電壓依賴(lài)行為的方法及實(shí)施工具。對此，電容與電壓關(guān)系的曲線(xiàn)及圖3中描述的方法之一很有用。 LTspice提供了一個(gè)眾所周知的具有恒定電容的電容模型以及一個(gè)非線(xiàn)性模型。該非線(xiàn)性模型用于求解電荷方程。由于需要保留電荷，直接求解非線(xiàn)性電容模型是不合適的。但在這里，這不應該是問(wèn)題，因為電容是通過(guò)電荷對電壓微分來(lái)獲得的。反過(guò)來(lái)，必須對電壓相關(guān)電容進(jìn)行積分。這已經(jīng)針對如下方法完成，因此無(wú)需任何數學(xué)知識便可使用這些模型。 一階方法使用線(xiàn)性電壓依賴(lài)性：
從中通過(guò)積分可得出：
Q=x*{c0V}-0.5*x**2*({c0V}-{cVmax})/{Vmax}. 以上便是電荷方程�，F在可以將其直接插入LTspice術(shù)語(yǔ)中，以代替電容器的電容值： Q=x*{c0V}-0.5*x**2*({c0V}-{cVmax})/{Vmax} 然而，許多MLCC的近乎恒定的初始電容即使在中等電壓下也會(huì )迅速降低，之后幾乎保持恒定。在此類(lèi)情況下，如果僅使用線(xiàn)性模型，則對于較大范圍的電容，有效電容會(huì )被高估。對于這種分布廣泛的情況，可以使用基于雙曲正切(Tanh)的模型：
無(wú)需進(jìn)一步的輔助工具便可輕松估算參數。
圖1.Tanh近似函數和相關(guān)參數 電容值也可直接由電荷等效值取代 Q=x*({C0+Csat})/2+({Csat-C0})/4*{Vtra}*ln(cosh((x-{Vth})*2/{Vtra}))
圖2.10 μF MLCC For checking the capacitor model in LTspice, a constant voltage ramp with 為了檢查L(cháng)Tspice中的電容模型，應用了恒定電壓斜坡。
這樣，通過(guò)電容的電流量便完全對應于電容值，因為：
圖3清楚地顯示了所提出的非線(xiàn)性模型相對于標準恒電容模型的優(yōu)越性。利用這種電容曲線(xiàn)，線(xiàn)性模型足以適用于大多數應用。
圖3.在LTspice中以不同電容模型仿真10μF 6.3V 0805 MLCC的示例 最后應注意的是，這里僅仿真了單個(gè)非理想效應。MLCC仍然存在許多其他效應，包括老化、溫度依賴(lài)性、頻率依賴(lài)性、AC幅度依賴(lài)性、電介質(zhì)吸收等。對于許多應用，將直流偏置依賴(lài)性視為唯一的主要效應就足夠了。在制造第一個(gè)原型之前，LTspice可以用作解釋直流偏置等非理想特性的實(shí)用工具。
圖4.針對不同電源電壓，使用Tanh模型從轉換器側仿真LT8619降壓調節器的輸入濾波器的干擾電流抑制 作者簡(jiǎn)介 Reiner Bidenbach是中歐地區現場(chǎng)應用工程師。他于2010年加入ADI公司，擁有14年的模擬IC設計經(jīng)驗。Reiner于1996年畢業(yè)于德國烏爾姆大學(xué)，獲電氣工程特許工程師文憑。聯(lián)系方式：reiner.bidenbach@analog.com。 |
