如何使用LTspice仿真来考虑电压依赖性的影响

Reiner Bidenbach

本文介绍了如何使用LTspice仿真来解释由于使用外壳尺寸越来越小的陶瓷电容器而引起的电压依赖性或直流偏置的影响。随着对小型电子设备的需求，以及电流消耗的降低，对包括MLCC在内的元件的尺寸要求受到限制。因此，电压依赖性或直流偏置的影响也成为焦点。

陶瓷电容器的小型化需要在越来越小的空间内实现更高的电容值。为此，正在采用具有高介电常数（ε）和越来越薄的介电绝缘层的材料，现在可以在工业规模上生产高质量的陶瓷层。

不幸的是，介电常数εr= ƒ（→E） 是电场强度的函数，因此电容表现出电压依赖性。根据陶瓷类型和层厚度，这种效果可能非常明显。在最大允许电压下，电容降至标称值的10%以下的情况并不罕见。

在施加到MLCC的恒定电压的应用中（例如，去耦电容器），可以很容易地考虑这种影响。只要电压保持恒定，剩余电容值就可以从数据手册或制造商提供的在线工具中获取。

但是，如果电压是可变的，例如图4所示，开关稳压器上的输入滤波器应采用5 V的USB至24 V工业电源供电，该怎么办？还是 2 线以太网 PHY 的交流耦合，电源位于具有不同电压值的同一线路上？

在这种情况下，采用LTspice的电路仿真可提供有用的见解。一些MLCC制造商已经为下负载提供了相应的直流偏置型号。此外，LTspice还提供了使用已实现的工具模拟电压相关行为的方法。为此，电容与电压的函数曲线和图3中描述的方法之一很有用。

LTspice提供具有恒定电容的知名电容器模型以及非线性模型。该非线性模型评估电荷方程。由于需要电荷保持，因此不适合直接评估非线性电容模型。这在这里应该不是问题，因为电容是通过电荷相对于电压的区分产生的。相反，必须形成电压相关电容的积分。对于以下方法，已经完成了此操作，因此无需任何数学即可使用这些模型。

一阶方法使用线性电压依赖性

从中，通过积分，电荷方程

是屈服的。现在，这可以直接插入LTspice命名法中，以代替电容器中的电容值：

Q=x*{c0V}-0.5*x**2*（{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，之后几乎保持不变。如果在这种情况下仅使用线性模型，则在较大电压范围内会高估有效电容。对于这种广泛的情况，可以使用基于双曲正切线（tanh）的模型：

参数可以很容易地估计，而无需使用进一步的辅助工具。

图1.Tanh 近似函数和相关参数。

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}））.

图2.一个 10 μF MLCC。

为了检查LTspice中的电容器模型，恒定电压斜坡

已应用。然后，通过电容器的电流量与电容值完全对应，由于

图3清楚地显示了所提出的非线性模型优于标准恒电容模型。有了这样的电容曲线，线性模型就足以满足大多数应用的需求。

图3.10 μF 6.3 V 0805 MLCC的示例，具有LTspice中的各种电容型号。

最后，应该注意的是，这里只模拟了一个非理想效应。MLCC中还有许多其他影响，包括老化，温度依赖性，频率依赖流幅度依赖性，介电吸收等等。对于许多应用，将直流偏置依赖性视为唯一的主导效应就足够了。LTspice可用作一种实用工具，用于在制造第一个原型之前考虑直流偏置等非理想性。

图4.使用tanh模型从转换器侧仿真LT8619降压型稳压器的输入滤波器在不同电源电压下的干扰电流抑制。

审核编辑：郭婷