Kako lahko pri simulacijah vezja upoštevam učinek DC prednapetosti večplastnih keramičnih kondenzatorjev (MLCC)?
Analog Devices, Inc.
Avtor: Reiner Bidenbach, aplikacijski inženir
2022-307-12
Uporabite zmogljivosti nelinearnega kondenzatorja znotraj LTspice in primeren model.
Ta članek opisuje, kako se lahko simulacije v LTspice® uporabijo za upoštevanje učinka napetostne odvisnosti ali DC prednapetosti, ki jo povzroča uporaba keramičnih kondenzatorjev z vedno manjšimi ohišji. Povpraševanje po manjših elektronskih napravah z vse večjim številom funkcij v kombinaciji z zmanjšano porabo toka zahteva omejitve velikosti komponent, vključno z MLCC. Posledično je v fokusu tudi učinek napetostne odvisnosti ali DC prednapetosti.
Miniaturizacija keramičnih kondenzatorjev zahteva višje vrednosti kapacitivnosti na vse manjšem prostoru. V ta namen se uporabljajo materiali z visoko permeabilnostjo (ε) in vedno bolj tankimi dielektričnimi izolacijskimi plastmi, ki omogočajo izdelavo visokokakovostnih keramičnih plasti v industrijskem obsegu.
Na žalost je permeabilnost εr = ƒ(->E ) funkcija jakosti električnega polja, zato kapacitivnost kaže odvisnost od napetosti. Odvisno od vrste keramike in debeline plasti je ta učinek lahko zelo izrazit. Padec kapacitivnosti na manj kot 10% nazivne vrednosti pri največji dovoljeni napetosti ni redkost.
V aplikacijah, ki delujejo s konstantno napetostjo prisotno na MLCC (na primer ločilni kondenzatorji), je učinek enostavno upoštevati. Dokler napetost ostane konstantna, lahko preostalo vrednost kapacitivnosti vzamete iz podatkovnega lista ali spletnega orodja, ki ga zagotovi proizvajalec.
Kaj pa primeri, v katerih je napetost spremenljiva – na primer na sliki 4, ki prikazuje vhodni filter na stikalnem regulatorju, ki bi moral delovati s 5 V iz USB na 24 V iz industrijskega napajanja? Ali z AC sklopka 2-žičnega Ethernet PHY z napajanjem na istih linijah z različnimi vrednostmi napetosti?
V takih situacijah simulacije vezij z LTspice nudijo koristen vpogled. Nekateri proizvajalci MLCC že ponujajo ustrezne DC modele z prednapetostjo. Poleg tega LTspice ponuja metode za posnemanje napetostno odvisnega obnašanja z implementiranimi orodji. Za to sta uporabni krivulja kapacitivnosti kot funkcija napetosti in eden od pristopov, opisanih na sliki 3.
LTspice ponuja dobro znan model kondenzatorja s konstantno kapacitivnostjo in tudi nelinearni model. Ta nelinearni model uporablja enačbo naboja. Neposredna ocena modela nelinearne kapacitivnosti je neprimerna zaradi zahtevanega zadrževanja naboja. To tukaj ne bi smelo biti problem, ker se kapacitivnost izračuna z diferenciacijo naboja glede na napetost. Nasprotno pa je treba oblikovati integral napetostno odvisne kapacitivnosti. To je bilo že storjeno za naslednje pristope, tako da je te modele mogoče uporabiti brez matematike.
Pristop prvega reda uporablja linearno napetostno odvisnost: Formula 1
iz katere je z integriranjem enačba naboja: Formula 2
izračunana. To je zdaj mogoče vstaviti neposredno v LTspice nomenklaturo namesto vrednosti kapacitivnosti v kondenzatorju:
Q=x*{c0V}-0.5*x**2*({c0V}-{cVmax})/{Vmax}.
V mnogih MLCC pa sprva skoraj konstantna kapacitivnost hitro pade tudi pri zmernih napetostih, potem pa ostane skoraj konstantna. Če se v takih primerih uporablja samo linearni model, je efektivna kapacitivnost precenjena za velik razpon napetosti. Za ta razširjen primer se lahko uporabi model, ki temelji na hiperboličnem tangensu (tanh): Formula 3
Parametre je mogoče enostavno oceniti brez uporabe dodatnih pripomočkov.
Vrednost kapacitivnosti lahko tudi preprosto nadomestimo z enačbo naboja
Q=x*({C0+Csat})/2+({Csat-C0})/4*{Vtra}*ln(cosh((x-{Vth})*2/{Vtra})).
Za preverjanje modela kondenzatorja v LTspice, se pošlje rampa konstantne napetosti: Formula 4
Količina toka skozi kondenzator potem natančno ustreza vrednosti kapacitivnosti zaradi: Formula 5
Slika 3 jasno prikazuje superiornost predlaganih nelinearnih modelov nad standardnim modelom s konstantno kapacitivnostjo. S takšno krivuljo kapacitivnosti za večino aplikacij zadostuje linearni model.
Na koncu je treba omeniti, da je tukaj simuliran le en sam neidealni učinek. V MLCC so še vedno številni drugi učinki, vključno s staranjem, temperaturno odvisnostjo, odvisnostjo od frekvence, odvisnostjo od amplitude izmeničnega toka, dielektrično absorpcijo in še drugi.
Za številne aplikacije zadostuje, da upoštevamo odvisnost od DC prednapetosti kot edini prevladujoči učinek.
LTspice se lahko uporablja kot praktično orodje za upoštevanje neidealnosti, kot je DC prednapetost, pred izdelavo prvega prototipa.
O avtorju
Reiner Bidenbach je FAE v srednji Evropi. Podjetju Analog Devices se je pridružil oktobra 2010 s 14-letnimi izkušnjami pri oblikovanju analognih IC-jev. Reiner je leta 1996 diplomiral na Univerzi v Ulmu v Nemčiji kot diplomirani inženir elektrotehnike. Dosegljiv je na reiner.bidenbach@analog.com.
Viri:
https://www.analog.com/en/products/lt8619.html
https://www.analog.com
