如何使用LTspice仿真來解釋電壓依賴性影響
2022/3/4 11:15:33 點擊：
問題：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的非線性電容功能和合理的模型。
問題：
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的非線性電容功能和合理的模型。
本文說明如何使用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）影響。尺寸越來越小、功能越來越多、電流消耗越來越低，為滿足這些需求，必須對元件（包括MLCC）的尺寸加以限制。因此，電壓依賴性或直流偏置的影響也受到關注。
要實現陶瓷電容器的微型化，就必須在越來越小的空間內實現更高的電容值。為此，具有高介電常數(ε)和越來越薄的介電絕緣層的材料正在被實現，這使得現在有可能在工業級規模上生產高質量的陶瓷層。
遺憾的是，介電常數εr = ?(→E)是電場強度的函數，因此電容表現出電壓依賴性。根據陶瓷類型和層厚度，這種影響可以非常顯著。在最大允許電壓下，電容下降到標稱值的10％以下并不罕見。
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，開關穩壓器上的輸入濾波器采用5 V USB電源至24 V工業電源供電。另一個例子是，2線以太網PHY與相同線路上不同電壓值的電源交流耦合。
在此類情況下，使用LTspice進行電路仿真可提供有用的洞察。有些MLCC制造商已經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行為的方法及實施工具。對此，電容與電壓關系的曲線及圖3中描述的方法之一很有用。
LTspice提供了一個眾所周知的具有恒定電容的電容模型以及一個非線性模型。該非線性模型用于求解電荷方程。由于需要保留電荷，直接求解非線性電容模型是不合適的。但在這里，這不應該是問題，因為電容是通過電荷對電壓微分來獲得的。反過來，必須對電壓相關電容進行積分。這已經針對如下方法完成，因此無需任何數學知識便可使用這些模型。
一階方法使用線性電壓依賴性：
從中通過積分可得出：
以上便是電荷方程。現在可以將其直接插入LTspice術語中，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迅速降低，之后幾乎保持恒定。在此類情況下，如果僅使用線性模型，則對于較大范圍的電容，有效電容會被高估。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：
無需進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
為了檢查LTspice中的電容模型，應用了恒定電壓斜坡。
這樣，通過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性模型相對于標準恒電容模型的優越性。利用這種電容曲線，線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，這里僅仿真了單個非理想效應。MLCC仍然存在許多其他效應，包括老化、溫度依賴性、頻率依賴性、AC幅度依賴性、電介質吸收等。對于許多應用，將直流偏置依賴性視為唯一的主要效應就足夠了。在制造第一個原型之前，LTspice可以用作解釋直流偏置等非理想特性的實用工具。
問題：
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的非線性電容功能和合理的模型。
本文說明如何使用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）影響。尺寸越來越小、功能越來越多、電流消耗越來越低，為滿足這些需求，必須對元件（包括MLCC）的尺寸加以限制。因此，電壓依賴性或直流偏置的影響也受到關注。
要實現陶瓷電容器的微型化，就必須在越來越小的空間內實現更高的電容值。為此，具有高介電常數(ε)和越來越薄的介電絕緣層的材料正在被實現，這使得現在有可能在工業級規模上生產高質量的陶瓷層。
遺憾的是，介電常數εr = ?(→E)是電場強度的函數，因此電容表現出電壓依賴性。根據陶瓷類型和層厚度，這種影響可以非常顯著。在最大允許電壓下，電容下降到標稱值的10％以下并不罕見。
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，開關穩壓器上的輸入濾波器采用5 V USB電源至24 V工業電源供電。另一個例子是，2線以太網PHY與相同線路上不同電壓值的電源交流耦合。
在此類情況下，使用LTspice進行電路仿真可提供有用的洞察。有些MLCC制造商已經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行為的方法及實施工具。對此，電容與電壓關系的曲線及圖3中描述的方法之一很有用。
LTspice提供了一個眾所周知的具有恒定電容的電容模型以及一個非線性模型。該非線性模型用于求解電荷方程。由于需要保留電荷，直接求解非線性電容模型是不合適的。但在這里，這不應該是問題，因為電容是通過電荷對電壓微分來獲得的。反過來，必須對電壓相關電容進行積分。這已經針對如下方法完成，因此無需任何數學知識便可使用這些模型。
一階方法使用線性電壓依賴性：
從中通過積分可得出：
以上便是電荷方程。現在可以將其直接插入LTspice術語中，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迅速降低，之后幾乎保持恒定。在此類情況下，如果僅使用線性模型，則對于較大范圍的電容，有效電容會被高估。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：
無需進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
為了檢查LTspice中的電容模型，應用了恒定電壓斜坡。
這樣，通過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性模型相對于標準恒電容模型的優越性。利用這種電容曲線，線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，這里僅仿真了單個非理想效應。MLCC仍然存在許多其他效應，包括老化、溫度依賴性、頻率依賴性、AC幅度依賴性、電介質吸收等。對于許多應用，將直流偏置依賴性視為唯一的主要效應就足夠了。在制造第一個原型之前，LTspice可以用作解釋直流偏置等非理想特性的實用工具。
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
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