使用LTspice模拟来测量电压依赖性|电子设计的影响

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本文描述了如何使用LTspice模拟来解释由使用越来越小的外壳尺寸的陶瓷电容器引起的电压依赖或直流偏置的影响。对功能越来越多的小型电子设备的需求，加上电流消耗的减少，要求对组件的尺寸进行限制，包括多层陶瓷电容器(MLCCs)。因此，电压依赖或直流偏置的影响也被推到焦点。

陶瓷电容器的小型化要求在越来越小的空间内获得更高的电容值。为此，具有高介电常数(ε)和越来越薄的介电绝缘层的材料正在被应用，这使得在工业规模上生产高质量的陶瓷层成为可能。

不幸的是，介电常数ε_r= ƒ(→E)是电场强度的函数，因此电容具有电压依赖性。根据陶瓷类型和层厚，这种效果可以非常明显。在最大允许电压下，电容下降到标称值的10%以下是不罕见的。

在对MLCC施加恒定电压的应用中(例如，解耦电容器)，这种影响很容易被考虑。只要电压保持恒定，剩余电容值可以从数据表或制造商提供的在线工具中获取。

但是在电压变化的情况下呢，例如图4下面，这显示了一个开关调节器的输入滤波器，应该从USB到工业电源的24v操作?或者2线以太网PHY的交流耦合与电源在相同的线路上具有不同的电压值?

在这种情况下，使用LTspice进行电路模拟可以提供有用的见解。一些MLCC制造商已经提供相应的直流偏置型号供下载。此外，LTspice还提供了使用已实现的工具模仿电压相关行为的方法。对于这一点，电容作为电压的函数曲线和其中一种方法描述图3下面是有用的。

LTspice提供了一个著名的恒容电容模型和一个非线性模型。这个非线性模型计算电荷方程。由于需要保持电荷，直接评估非线性电容模型是不合适的。这应该不是问题，因为电容是通过电荷对电压的微分产生的。

相反，与电压有关的电容必须得到积分。以下方法已经做到了这一点，所以这些模型可以不需要任何数学运算就可以使用。

一阶方法利用线性电压相关性:

由此，通过积分得到电荷方程:

是产生了。现在可以直接插入LTspice术语中，代替电容的电容值:

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

然而，在许多mlcc中，即使在中等电压下，最初几乎恒定的电容也会迅速下降，之后它几乎保持不变。如果在这种情况下只使用线性模型，有效电容在很大的电压范围内被高估。对于这种广泛的情况，可以使用基于双曲正切(tanh)的模型(图1)：

这些参数可以很容易地估计出来，而不需要进一步的帮助(图2)。

电容值也可以简单地用电荷方程代替:

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

在LTspice中检查电容器模型时，采用恒压斜坡

应用。通过电容器的电流量正好对应于电容值，因为:

图3结果表明，所提出的非线性模型与标准恒容模型相比具有明显的优越性。对于这样的电容曲线，线性模型对于大多数应用是足够的。

最后，应该指出的是，这里只模拟了一个单一的非理想效应。在MLCCs中还有许多其他的影响，包括老化、温度依赖性、频率依赖性、交流振幅依赖性、介电吸收等(图4)。

在许多应用中，只要把直流偏置的依赖作为唯一的主要效应就足够了。在制造第一个原型之前，LTspice可以作为一种实用的工具来考虑诸如直流偏置等非理想问题。

使用LTspice模拟来衡量电压依赖的影响