背景介紹
便攜式電池供電醫(yī)療設(shè)備的種類繁多，而能夠可靠地為這些設(shè)備供電的充電器控制電路也有多種選擇。如無(wú)源元件鉭電容（如貼片鉭電容和片狀電容），可以提升便攜式設(shè)備內(nèi)充電器控制和儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體性能。便攜式電池供電醫(yī)療設(shè)備的供電既可以使用一次性電池，也可以使用用電池充電器充電的后備可充電電池。對(duì)醫(yī)療設(shè)備便攜性和易用性的需求已經(jīng)催生了充電控制電路的多項(xiàng)改良。充電器和電池系統(tǒng)已從由許多組件組成的電路，發(fā)展為基于集成微處理器的系統(tǒng)，不僅使用的無(wú)源元件少，而且布板空間也小。
鑒于醫(yī)療設(shè)備對(duì)高可靠性的要求，本文就商用鉭電容和醫(yī)用鉭電容的設(shè)計(jì)取舍進(jìn)行了舉例，并介紹了有助于改善性能的一些新發(fā)展。本文還重點(diǎn)介紹了電容技術(shù)的一般性選擇標(biāo)準(zhǔn)和可以在便攜式醫(yī)療設(shè)備中使用的封裝技術(shù)的進(jìn)展情況。在便攜式醫(yī)療設(shè)備中最常用的大容量電容類型有多層陶瓷電容（MLCC）、鋁電解電容和固體鉭電容。表1就每種電容技術(shù)的某些一般特性和可能的缺點(diǎn)進(jìn)行了介紹。
表1 便攜式醫(yī)療設(shè)備使用的大容量電容的類型
電池充電器基礎(chǔ)知識(shí)
對(duì)使用可充電二次電池的便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō)，可以使用多種類型的充電器：降壓充電器、離線充電器或者線性穩(wěn)壓器/充電器。最常用的類型是降壓充電器。這種充電器可以把電池源電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓并予以穩(wěn)壓。轉(zhuǎn)換器可通過(guò)外部交流/直流適配器或者內(nèi)部適配器電路供電。線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)緊湊，非常適用于低容量電池充電器應(yīng)用。單芯片集成解決方案既可為便攜式設(shè)備供電，同時(shí)還可單獨(dú)對(duì)電池進(jìn)行充電。
圖1是小型直流/直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的例子。它可以為電池充電器提供同步脈沖開(kāi)關(guān)。該脈沖電池充電系統(tǒng)散熱小，采用TSSOP封裝，高度僅1.2毫米。該器件特性豐富，其中包括可在關(guān)斷時(shí)將電池（Vbat）和外部電源隔離開(kāi)來(lái)。
充電器中使用的電容有多種類型。輸入去耦電容用于旁路噪聲。一般將0.1μF MLCC電容布置在Vcc引腳附近，用來(lái)濾除高頻噪聲。
圖1 使用威世 Siliconix Si9731實(shí)現(xiàn)的鋰離子或鎳鎘/鎳氫微處理器電池充電器
輸出電容類型的選擇應(yīng)取決于合適的ESR，以符合穩(wěn)定負(fù)載線路范圍，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行下列項(xiàng)目的評(píng)估：
1. 能夠降低功耗
2. 能夠降低紋波電壓
3. 能夠滿足系統(tǒng)負(fù)載線路的要求。
轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)提供負(fù)載電流和電壓。隨著負(fù)載的變化，電流的增加，電壓會(huì)下降。穩(wěn)壓器可以保持恒定電壓，但對(duì)負(fù)載電流的變化不能迅速做出響應(yīng)，所以使用大容量電容來(lái)應(yīng)對(duì)這樣的變化，防止電壓下降。如果轉(zhuǎn)換器輸出的電流要通過(guò)電感，它就無(wú)法瞬時(shí)響應(yīng)，這時(shí)就需要在負(fù)載兩端跨接一個(gè)并聯(lián)電容組，來(lái)上拉電壓。有時(shí)會(huì)混合使用MLCC和鉭電容，以降低總體大容量電容的ESR.由于MLCC的阻抗較低，會(huì)先充電，然后才是大容量鉭電容。
電源及輸出電容的要求
便攜式醫(yī)療設(shè)備使用的電池或?yàn)橐淮涡噪姵兀驗(yàn)槎坞姵亍Ｒ淮涡噪姵匾话阒皇褂靡淮巍Ｔ陔娐饭ぷ鬟^(guò)程中，活性化學(xué)物質(zhì)被消耗殆盡。一旦放電完畢，電路將停止工作，必須更換新的電池。二次電池可以在放電完畢后充電，因?yàn)楫a(chǎn)生電能的化學(xué)反應(yīng)可以逆轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)充電。電源、電池類型的選擇視應(yīng)用而定。醫(yī)療設(shè)備常用的一次性電池類型有堿性電池和鋰電池。
二次電池有鋰電池、鎳鎘電池 （NiCad）、鎳氫（NiMH） 電池和鉛酸電池。其中鋰電池最常用，這是因?yàn)殇囯姵氐捏w積能量密度和質(zhì)量能量密度最大，放電率極低，這意味著閑置時(shí)有良好的荷電保持能力。
表2 鉭電容的功耗及容量范圍
便攜式設(shè)備電路需要輸出電容，而輸出電容通常由一次性或者二次電池供電，可以在負(fù)載瞬變過(guò)程中減輕電壓過(guò)沖或者下沖。要有效地濾除噪聲，電容的等效串聯(lián)電阻 （ESR） 是重點(diǎn)考慮的參數(shù)。輸出電容用來(lái)處理電路的紋波電流和電壓。需要對(duì)電容組的過(guò)熱予以控制，這樣在電路工作中，不會(huì)超過(guò)最大允許功耗。需要確定的是，通過(guò)輸出電容的紋波電流不超出允許值。
表2概述了在+25℃和f=100kHz條件下各種封裝（按外殼尺寸劃分）的最大允許額定功率。對(duì)溫升在+25℃以上的應(yīng)用，建議應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行降額。請(qǐng)參考電容生產(chǎn)廠家關(guān)于針對(duì)可適用的鉭電封裝的功率降額建議。
可使用公式P=Irms2 x ESR計(jì)算出最大允許交流紋波電流 （Irms），其中P表示鉭電容外殼尺寸對(duì)應(yīng)的最大允許功率，ESR則可根據(jù)電容的工作頻率計(jì)算得出。
對(duì)鉭電容，還需要遵守合適的電壓降額規(guī)范，不可超出生產(chǎn)廠家建議的額定值。輸出電容的工作電壓應(yīng)由電壓電路狀態(tài)決定。其可根據(jù)公式Vrated=Vpeak+Vdc計(jì)算得出，即紋波電壓加上直流電壓噪聲。允許的紋波電壓的計(jì)算方法為E=IxZ，其中Z表示電容器電阻。總體來(lái)說(shuō)，較低的ESR可以幫助降低輸出紋波噪聲。
在電路中加入大容量電容還能在無(wú)負(fù)載條件下（此時(shí)電池尚未工作，使用線路電流供電）起到上電作用。當(dāng)使用線路電流供電時(shí)，在選擇大容量鉭電容的額定值的時(shí)候，應(yīng)遵從降額規(guī)范。
背景介紹
便攜式電池供電醫(yī)療設(shè)備的種類繁多，而能夠可靠地為這些設(shè)備供電的充電器控制電路也有多種選擇。如無(wú)源元件鉭電容（如貼片鉭電容和片狀電容），可以提升便攜式設(shè)備內(nèi)充電器控制和儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體性能。便攜式電池供電醫(yī)療設(shè)備的供電既可以使用一次性電池，也可以使用用電池充電器充電的后備可充電電池。對(duì)醫(yī)療設(shè)備便攜性和易用性的需求已經(jīng)催生了充電控制電路的多項(xiàng)改良。充電器和電池系統(tǒng)已從由許多組件組成的電路，發(fā)展為基于集成微處理器的系統(tǒng)，不僅使用的無(wú)源元件少，而且布板空間也小。
鑒于醫(yī)療設(shè)備對(duì)高可靠性的要求，本文就商用鉭電容和醫(yī)用鉭電容的設(shè)計(jì)取舍進(jìn)行了舉例，并介紹了有助于改善性能的一些新發(fā)展。本文還重點(diǎn)介紹了電容技術(shù)的一般性選擇標(biāo)準(zhǔn)和可以在便攜式醫(yī)療設(shè)備中使用的封裝技術(shù)的進(jìn)展情況。在便攜式醫(yī)療設(shè)備中最常用的大容量電容類型有多層陶瓷電容（MLCC）、鋁電解電容和固體鉭電容。表1就每種電容技術(shù)的某些一般特性和可能的缺點(diǎn)進(jìn)行了介紹。
表1 便攜式醫(yī)療設(shè)備使用的大容量電容的類型
電池充電器基礎(chǔ)知識(shí)
對(duì)使用可充電二次電池的便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō)，可以使用多種類型的充電器：降壓充電器、離線充電器或者線性穩(wěn)壓器/充電器。最常用的類型是降壓充電器。這種充電器可以把電池源電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓并予以穩(wěn)壓。轉(zhuǎn)換器可通過(guò)外部交流/直流適配器或者內(nèi)部適配器電路供電。線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)緊湊，非常適用于低容量電池充電器應(yīng)用。單芯片集成解決方案既可為便攜式設(shè)備供電，同時(shí)還可單獨(dú)對(duì)電池進(jìn)行充電。
圖1是小型直流/直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的例子。它可以為電池充電器提供同步脈沖開(kāi)關(guān)。該脈沖電池充電系統(tǒng)散熱小，采用TSSOP封裝，高度僅1.2毫米。該器件特性豐富，其中包括可在關(guān)斷時(shí)將電池（Vbat）和外部電源隔離開(kāi)來(lái)。
充電器中使用的電容有多種類型。輸入去耦電容用于旁路噪聲。一般將0.1μF MLCC電容布置在Vcc引腳附近，用來(lái)濾除高頻噪聲。
圖1 使用威世 Siliconix Si9731實(shí)現(xiàn)的鋰離子或鎳鎘/鎳氫微處理器電池充電器
輸出電容類型的選擇應(yīng)取決于合適的ESR，以符合穩(wěn)定負(fù)載線路范圍，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行下列項(xiàng)目的評(píng)估：
1. 能夠降低功耗
2. 能夠降低紋波電壓
3. 能夠滿足系統(tǒng)負(fù)載線路的要求。
轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)提供負(fù)載電流和電壓。隨著負(fù)載的變化，電流的增加，電壓會(huì)下降。穩(wěn)壓器可以保持恒定電壓，但對(duì)負(fù)載電流的變化不能迅速做出響應(yīng)，所以使用大容量電容來(lái)應(yīng)對(duì)這樣的變化，防止電壓下降。如果轉(zhuǎn)換器輸出的電流要通過(guò)電感，它就無(wú)法瞬時(shí)響應(yīng)，這時(shí)就需要在負(fù)載兩端跨接一個(gè)并聯(lián)電容組，來(lái)上拉電壓。有時(shí)會(huì)混合使用MLCC和鉭電容，以降低總體大容量電容的ESR.由于MLCC的阻抗較低，會(huì)先充電，然后才是大容量鉭電容。
電源及輸出電容的要求
便攜式醫(yī)療設(shè)備使用的電池或?yàn)橐淮涡噪姵兀驗(yàn)槎坞姵亍Ｒ淮涡噪姵匾话阒皇褂靡淮巍Ｔ陔娐饭ぷ鬟^(guò)程中，活性化學(xué)物質(zhì)被消耗殆盡。一旦放電完畢，電路將停止工作，必須更換新的電池。二次電池可以在放電完畢后充電，因?yàn)楫a(chǎn)生電能的化學(xué)反應(yīng)可以逆轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)充電。電源、電池類型的選擇視應(yīng)用而定。醫(yī)療設(shè)備常用的一次性電池類型有堿性電池和鋰電池。
二次電池有鋰電池、鎳鎘電池 （NiCad）、鎳氫（NiMH） 電池和鉛酸電池。其中鋰電池最常用，這是因?yàn)殇囯姵氐捏w積能量密度和質(zhì)量能量密度最大，放電率極低，這意味著閑置時(shí)有良好的荷電保持能力。
表2 鉭電容的功耗及容量范圍
便攜式設(shè)備電路需要輸出電容，而輸出電容通常由一次性或者二次電池供電，可以在負(fù)載瞬變過(guò)程中減輕電壓過(guò)沖或者下沖。要有效地濾除噪聲，電容的等效串聯(lián)電阻 （ESR） 是重點(diǎn)考慮的參數(shù)。輸出電容用來(lái)處理電路的紋波電流和電壓。需要對(duì)電容組的過(guò)熱予以控制，這樣在電路工作中，不會(huì)超過(guò)最大允許功耗。需要確定的是，通過(guò)輸出電容的紋波電流不超出允許值。
表2概述了在+25℃和f=100kHz條件下各種封裝（按外殼尺寸劃分）的最大允許額定功率。對(duì)溫升在+25℃以上的應(yīng)用，建議應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行降額。請(qǐng)參考電容生產(chǎn)廠家關(guān)于針對(duì)可適用的鉭電封裝的功率降額建議。
可使用公式P=Irms2 x ESR計(jì)算出最大允許交流紋波電流 （Irms），其中P表示鉭電容外殼尺寸對(duì)應(yīng)的最大允許功率，ESR則可根據(jù)電容的工作頻率計(jì)算得出。
對(duì)鉭電容，還需要遵守合適的電壓降額規(guī)范，不可超出生產(chǎn)廠家建議的額定值。輸出電容的工作電壓應(yīng)由電壓電路狀態(tài)決定。其可根據(jù)公式Vrated=Vpeak+Vdc計(jì)算得出，即紋波電壓加上直流電壓噪聲。允許的紋波電壓的計(jì)算方法為E=IxZ，其中Z表示電容器電阻。總體來(lái)說(shuō)，較低的ESR可以幫助降低輸出紋波噪聲。
在電路中加入大容量電容還能在無(wú)負(fù)載條件下（此時(shí)電池尚未工作，使用線路電流供電）起到上電作用。當(dāng)使用線路電流供電時(shí)，在選擇大容量鉭電容的額定值的時(shí)候，應(yīng)遵從降額規(guī)范。
為電池供電的低壓降穩(wěn)壓器（LDO）選擇輸出電容
便攜式設(shè)備中的線性電壓穩(wěn)壓器或低壓降穩(wěn)壓器（LDO）均采用電池供電。電容的大小非常重要，因?yàn)長(zhǎng)DO一般采用小型SOT封裝。在負(fù)載變化時(shí)，常用 LDO來(lái)確保提供高精度電壓。在50mA負(fù)載電流下，出現(xiàn)90mV壓降非常典型。舉例來(lái)說(shuō)，如果低壓降穩(wěn)壓器的生產(chǎn)廠家規(guī)定使用電容的目的是降低噪聲，那么在選擇電容類型的時(shí)候應(yīng)考慮：
●醫(yī)療設(shè)備的性能要求
● 規(guī)定的ESR安全工作范圍
● 電容的尺寸及成本
● 額定電壓
表3 各類型電容的ESR要求
要滿足如表3所示的ESR要求，在電容技術(shù)方面有多項(xiàng)選擇。通過(guò)檢查電路負(fù)載線的穩(wěn)定性，可以為線路的正常工作選擇合適的電容技術(shù)。
對(duì)低壓降 （LDO） 穩(wěn)壓器進(jìn)行負(fù)載線穩(wěn)定性分析可以得出各種負(fù)載情況下的最低和最高ESR 值。
舉例來(lái)說(shuō)，如果使用10μF的鉭電容用于負(fù)載線瞬態(tài)穩(wěn)定，10kHz下測(cè)得的ESR的安全工作范圍為最大10Ω，最低10mΩ（見(jiàn)圖2）。
圖2 穩(wěn)定運(yùn)行的LDO穩(wěn)壓器對(duì)ESR的要求
在本例中，如果LDO要高效率地工作，則需要低ESR的最小尺寸的電容器。對(duì)該應(yīng)用來(lái)說(shuō)，符合要求的低ESR電容技術(shù)種類比較多。鉭電容的ESR一般情況下都是生產(chǎn)廠家在100kHz條件下定義的。本應(yīng)用需要10kHz下的ESR，以便實(shí)現(xiàn)合適負(fù)載線穩(wěn)定性。
選擇合適的電容可以通過(guò)10kHz時(shí)的阻抗-頻率關(guān)系來(lái)確定。如表2所示，有幾種固態(tài)鉭電容適用于該應(yīng)用。MLCC、鉭電容、鋁電解電容的對(duì)應(yīng)ESR請(qǐng)參見(jiàn)表2.雖然與采用錳負(fù)極的標(biāo)準(zhǔn)固態(tài)鉭電容相比，鉭聚合物電容ESR更低，但由于近期采用二氧化錳（MnO2） 負(fù)極對(duì)鉭電容結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，部分標(biāo)準(zhǔn)固態(tài)鉭電容產(chǎn)品的ESR 低于 50mΩ，完全可以用于LDO應(yīng)用。
圖3 0603鉭電容的阻抗-頻率曲線
圖4顯示了威世TM8 -298D 系列M 或0603外殼尺寸的電容器。0603鉭電容在10kHz時(shí)的ESR為1.19 Ω，如圖3的鉭電容阻抗-頻率曲線所示。該ESR正處于安全工作范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)出色的電路負(fù)載線穩(wěn)定性。在本例中，如果采用具有10 mΩ以下超低ESR的MLCC電容，在電路中就需要給電容串聯(lián)一個(gè)小電阻，以便為ESR提供安全工作范圍。由于空間及組件數(shù)量有限，采用單個(gè)0603鉭電容就可以同時(shí)滿足ESR和空間要求。
圖4 鉭電容的尺寸縮減
在某些情況下，在電路中同時(shí)需要大容量電容來(lái)減少壓降，以及超低ESR來(lái)處理紋波。在更高效率和更低功耗之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡傾向于使用ESR較低的電容。
也可以使用其他具有較高ESR的電容技術(shù)。MLCC0 0805是采用400層0805大小的X5R介電層的電容，規(guī)格為10μF~10V.另有采用0603 X5R介電層的10μF~10V電容。它們的ESR在10kHz條件下為 20mΩ。與鉭電容相比，MLCC電容的ESR非常低。然而對(duì)于在本應(yīng)用中用于LDO的電容來(lái)說(shuō)，更低的ESR并不具有優(yōu)勢(shì)。
在本例應(yīng)用的電容選擇中，電路板空間和成本也是需要考慮的因素。
圖5 M.A.P. 鉭電容封裝
更先進(jìn)的鉭電容封裝去掉了引線框，提高了體積封裝效率和電氣性能。圖 6 對(duì)多陣列封裝 （M.A.P.） 裝配技術(shù)和傳統(tǒng)封裝技術(shù)進(jìn)行了比較。在標(biāo)準(zhǔn)鉭電容封裝中取消引線框裝配可以節(jié)省更多空間以容納更多的鉭芯。而在傳統(tǒng)引線框封裝中，鉭電容封裝的主體部分是塑封材料或者封裝物。如圖5所示，連接到引線框的正極引線也會(huì)占用封裝空間。總的來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)引線框架封裝可用體積有效利用率僅30%.
如圖 6 所示，通過(guò)采用M.A.P.工藝提升封裝中的鉭芯放置精度，從而縮減整體封裝尺寸，實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的尺寸誤差控制。采用M.A.P.工藝實(shí)現(xiàn)的封裝還能夠降低凈空和為垂直方向的高密度線路提供更好的“參照線”。舉例來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)的注塑引線框架鉭電容D型最大高度為4.1mm，而采用M.A.P.工藝生產(chǎn)的D型的高度為1.65mm.
圖6 最新 MAP 鉭電容封裝具有最高體積效率
借助M.A.P.工藝，鉭電容的外殼尺寸一路從A下降到0805（目前的技術(shù)）到0603或者0402.鉭粉的改良可以把10？F~10V容量的0805外殼尺寸減少到0603的外殼尺寸，如圖 4 所示。
電容直流漏電/絕緣電阻比較
在用電池作為電源的時(shí)候，電容直流漏電流 （DCL） 應(yīng)被視為損耗，因?yàn)殡娙輹?huì)影響電池的使用狀況和壽命。除了電池，大容量電容也用作便攜式設(shè)備中的補(bǔ)充電源，以應(yīng)對(duì)電路負(fù)載的變動(dòng)。
許多便攜式設(shè)備應(yīng)用要求低DCL，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、高效率的電池壽命。為應(yīng)對(duì)負(fù)載變化，與電池并聯(lián)一個(gè)大容量輸出電容可以保持儲(chǔ)電能力。在某些應(yīng)用中，設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間是時(shí)斷時(shí)續(xù)的短周期，在大多數(shù)時(shí)間里電池處于閑置狀態(tài)。因此，該電容需要極低的DCL來(lái)滿足便攜式設(shè)備的應(yīng)用需求，盡量延長(zhǎng)電池的使用壽命。
直流漏電數(shù)值很小，所有電容都有這個(gè)問(wèn)題。鉭電容的漏電流為數(shù)微安，而MLCC的漏電流為數(shù)微微安。直流漏電流的測(cè)量方法是采用等效的電阻-電容串聯(lián)電路，加上直流電壓，在室溫下測(cè)量電流。電容應(yīng)串聯(lián)一個(gè)1000Ω的電阻，以限制充電電流。
圖7 鉭電容的 DCL 曲線
描述DCL的術(shù)語(yǔ)和測(cè)量單位隨電容技術(shù)不同而不同。DCL是用于鉭電容的測(cè)量單位，而絕緣電阻 （IR） 則是用于MLCC的測(cè)量單位。根據(jù)電介質(zhì)類型，MLCC有一個(gè)IR限值。對(duì)采用X5R電介質(zhì)的大電容MLCC，IR限值為》10，000MΩ或 （R x C） ≥ 500ΩF，以低者為準(zhǔn)。MLCC均采用符合軍用產(chǎn)品規(guī)范55681的自動(dòng)IR測(cè)試儀進(jìn)行過(guò)IR最小值篩選。
DCL可根據(jù)歐姆定律，用電容的IR和額定電壓計(jì)算得出。舉例來(lái)說(shuō)，MLCC的IR限值為100MΩ-？F，相當(dāng)于鉭電容標(biāo)準(zhǔn)DCL限值則為0.01，即（電容x電壓）=0.01？A/？F V.
鉭電容均根據(jù)規(guī)定的DCL最小值進(jìn)行過(guò)篩選，或者不超過(guò)規(guī)定的最大值。鉭電容DCL的測(cè)試系根據(jù)軍用產(chǎn)品規(guī)范55365F.各種規(guī)格的鉭電容之間的DCL差異比較明顯，所以每種規(guī)格的鉭電容的限值都是單獨(dú)規(guī)定的。
在便攜應(yīng)用中，較長(zhǎng)保壓時(shí)間（soak time）下的DCL是電容重要的指標(biāo)。對(duì)于有具體規(guī)格和鉭芯設(shè)計(jì)的鉭電容，某個(gè)生產(chǎn)批次中的DCL分布是可以量化的。如果應(yīng)用要求極低DCL，可以方便地從某個(gè)批次中自動(dòng)篩選出某個(gè)額定電壓下具有特定DCL符合便攜式設(shè)備使用條件的鉭電容。
圖8是一種47uF-10V的鉭電容，雖然其最大DCL為4.7？A，根據(jù)特定的保壓時(shí)間篩選后，可為應(yīng)用提供超低DCL.以圖8的元件為例，該批量可以按照10秒鐘DCL 600nA的標(biāo)準(zhǔn)篩選，從而把總體 DCL 從 4.7uA 降至 600nA 限值。
圖8一種47uF-10V的鉭電容
DCL限值應(yīng)根據(jù)電池供電設(shè)備的工作時(shí)間和非工作時(shí)間來(lái)決定。舉例來(lái)說(shuō)，如果某便攜式設(shè)備的工作時(shí)間很短，只有幾秒鐘，而隨后長(zhǎng)期處于閑置狀態(tài)，那么大容量電容應(yīng)具備低DCL，以保證較長(zhǎng)的電池使用壽命。另外，應(yīng)該對(duì)電路的總體靜態(tài)電流和工作電流進(jìn)行評(píng)估，以確定是否需要低DCL電容。
電池運(yùn)行時(shí)間和DCL
對(duì)可充電二次電池來(lái)說(shuō)，DCL也很重要，這樣可以延長(zhǎng)充電間隔時(shí)間，不過(guò)總體工作電流中可以允許輸出電容一定程度的漏電流存在。評(píng)估電路在各種使用狀況下的電流要求，了解電容的DCL，可以顯著延長(zhǎng)電池使用壽命。
通過(guò)測(cè)量DCL或者IR可以了解電容電介質(zhì)的性能以及電介質(zhì)層的質(zhì)量。DCL電流在加電的情況下，會(huì)流經(jīng)或者跨越電容電介質(zhì)隔離層。對(duì)鉭電容這樣采用氧化膜制造的電容來(lái)說(shuō)，DCL電流的主體構(gòu)成部分是多種電流混合而成，有流經(jīng)電介質(zhì)的表面漏電流、因電介質(zhì)材料極化而出現(xiàn)的電介質(zhì)吸收 （DA） 電流、流經(jīng)電介質(zhì)材料的原生漏電流。類似的，采用基于鈦酸鋇的陶瓷電介質(zhì)的MLCC的漏電流主要是流經(jīng)電介質(zhì)的漏電流，以及DA損耗和原生漏電流。
MLCC具有良好的低DCL特性，但在某些情況下，鉭電容能夠以更小的體積提供同樣低的DCL.表5 比較說(shuō)明了根據(jù)DCL要求正確評(píng)估和選擇合適的電容的計(jì)算方法。如表5所示，鉭電容一般按照DCL最大值來(lái)確定規(guī)格。標(biāo)準(zhǔn)二氧化錳 （MnO2）構(gòu)造的鉭電容在生產(chǎn)廠家處是按照 （。01xCV） 進(jìn)行分級(jí)的。某些電容生產(chǎn)廠家還會(huì)隨DCL信息提供具體的保壓時(shí)間，并且根據(jù)比同級(jí)別的DCL最大值低得多的具體DCL限值進(jìn)行電容器的預(yù)篩選。
選擇適用的低DCL電容
舉例來(lái)說(shuō)，某種短工作占空比的便攜式電池供電醫(yī)療設(shè)備需要線路每天啟動(dòng)電機(jī)幾秒鐘，然后關(guān)閉。這樣的應(yīng)用可以使用低DCL的大容量電容。
具體使用：
● DC/DC轉(zhuǎn)換器，用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)
● 輸入電壓：1.5V
● 固定輸出電壓：3.3V
● 輸出電流：200mA@2V
● 大容量輸出電容：47？F
● 保壓時(shí)間60秒時(shí)的DCL = 200nA
如果該47uF大容量電容是鉭電容，則應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷航殿~。降額應(yīng)根據(jù)鉭電容生產(chǎn)廠家的降額規(guī)范，具體示例見(jiàn)表4.本示例選擇了10V的額定電壓。
表4 鉭電容的降額規(guī)范
MLCC的額定電壓可以與工作電壓相同或者略高，因此6V的額定電壓已經(jīng)足夠。對(duì) MLCC 而言，如果已知 IR （見(jiàn)表5）和工作電壓 （4V），可以計(jì)算出 DCL.適用于低DCL應(yīng)用的MLCC有X5R和X7R兩種電介質(zhì)。根據(jù)額定工作電壓，可以根據(jù)歐姆定律，用元件的IR值計(jì)算出 DCL.
表5 低DCL電容器選擇
為確定鉭電容的 DCL 限值，對(duì)多個(gè)生產(chǎn)批次中的外殼尺寸為 D 和 F 的 MAP 47？F-10V 電容進(jìn)行了批量測(cè)試，并對(duì)每個(gè)電容的在不同保壓時(shí)間（60 秒）下的 DCL 和對(duì)應(yīng)的保壓時(shí)間都進(jìn)行了記錄，如圖7 所示。然后采用統(tǒng)計(jì)分析方法，確定每個(gè)批次的較低 DCL.另外，還采用獨(dú)特的成型工藝強(qiáng)化了負(fù)極，以提升和降低電容的DCL性能。對(duì)任何與標(biāo)準(zhǔn)批次相悖的DCL曲線都予以關(guān)注，最后找出DCL的較低限值。
圖4所示的是各種封裝選擇和每種封裝選擇的體積要求。威世的572D系列鉭電容既能滿足DCL要求，又具有最高的體積效率，體積僅為8.39 mm3.如果對(duì)空間的要求不是那么嚴(yán)苛的話，該應(yīng)用也可使用MLCC.X5R電介質(zhì)MLCC的DCL低至187nA，與選擇鉭電容一樣，只要一個(gè)大容量電容就能滿足要求。MLCC X7R電介質(zhì)電容的電容溫度系數(shù)比X5R更加優(yōu)越，但要組成大容量電容需要兩個(gè)MLCC電容并聯(lián)。
在某些電路中，施壓后電容器保持電容的能力是一個(gè)重要的考量因素。對(duì)X5R電介質(zhì)MLCC，在選擇元件的額定電壓時(shí)，應(yīng)考慮其電容電壓系數(shù) （VCC）。如果包括紋波電壓在內(nèi)的直流應(yīng)用電壓接近MLCC的額定電壓，VCC效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致該元件損耗部分電容。電容損耗可能會(huì)影響電路工作。另外，在選擇元件的時(shí)候，還需要考慮溫度對(duì)MLCC的IR的影響以及電容溫度系數(shù) （TCC）。生產(chǎn)廠家會(huì)提供特定電介質(zhì)隨溫度上升IR的劣化曲線。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)溫度效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。
改善鉭電容的DCL
鉭電容的電介質(zhì)層是一層五氧化二鉭薄膜，覆蓋在每顆鉭芯表面上。其采用陽(yáng)極化工藝，由厚5nm~10nm的N型氧化鉭層和五氧化二鉭純半導(dǎo)體層復(fù)合而成。層厚與陽(yáng)極化電壓成比例，同時(shí)決定了元件的額定電壓。對(duì)用于6V電池應(yīng)用的固鉭電容而言，最終的鉭電介質(zhì)層厚度為0.04微米或者40納米。
超大容量的MLCC則采用澆覆厚度為2.0微米的陶瓷電介質(zhì)薄層的方式來(lái)制造，這樣比鉭電容的要厚得多。MLCC采用層疊工藝，最終制造出多層電容。與鉭電容一樣，MLCC的電介質(zhì)層厚度決定了額定電壓，電介質(zhì)層數(shù)決定了容量。介電常數(shù)的差異導(dǎo)致了IR的巨大差別。
鉭電容的DCL會(huì)因?yàn)檎龢O表面的機(jī)械損壞或者氧化層表面的破裂而上升。如圖8所示，正極的外表面屬于易損部分，受到熱、機(jī)械和電氣作用的共同影響。表面DCL會(huì)受濕度的影響，并導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間工作的不穩(wěn)定。
改進(jìn)鉭芯的生產(chǎn)工藝，更好地控制氧化物層的厚度，可以幫助消除如圖 8所示的表面DCL問(wèn)題。在鉭芯的外表面生成較厚的電介質(zhì)薄膜，防止其受到機(jī)械損壞，從而大幅改善DCL性能，降低DCL.除了改進(jìn)鉭電容的正極結(jié)構(gòu)，與聚合物負(fù)極結(jié)構(gòu)相比，鉭電容的二氧化錳負(fù)極結(jié)構(gòu)具有更為優(yōu)異的 DCL 性能，因該材料有更好的導(dǎo)電性。
圖9顯示了采用這種新技術(shù)制造而具有出色DCL性能的新型MAP 0603封裝。結(jié)合對(duì)鉭芯的改進(jìn)，最新 MAP 系列鉭封裝能夠改善裝配、封裝和端接工藝，避免機(jī)械損壞，提升電容的體積效率。
圖9
改進(jìn)醫(yī)用級(jí)鉭電容的DCL可靠性
因?yàn)槟承┽t(yī)療設(shè)備需要高可靠性，特別是對(duì)關(guān)鍵任務(wù)型應(yīng)用而言，電容生產(chǎn)廠家提供穩(wěn)健且保守的設(shè)計(jì)來(lái)滿足性能需求。通過(guò)精心的鉭芯和鉭粉設(shè)計(jì)，醫(yī)用鉭電容的性能會(huì)高出標(biāo)準(zhǔn)的商用鉭電容以及采用傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的高可靠產(chǎn)品。
生產(chǎn)廠家會(huì)對(duì)每種設(shè)計(jì)適用的鉭粉進(jìn)行評(píng)估。隨電容器CV的增長(zhǎng)，失效率隨之增長(zhǎng)，因此應(yīng)針對(duì)具體的設(shè)計(jì)選擇合適粒徑的鉭粉。對(duì)醫(yī)用級(jí)設(shè)計(jì)而已，其目的是在可用的外殼尺寸范圍內(nèi)提供更為可靠的DCL性能。對(duì)商用級(jí)設(shè)計(jì)而言，其目的是通過(guò)以最小的可用外殼尺寸提供更高的-k CV鉭粉，從而盡量降低成本，最大化設(shè)計(jì)收益。因此商用鉭電容的DCL總體上會(huì)高于醫(yī)用鉭電容。
下面舉例說(shuō)明目前的醫(yī)用TM8系列DCL改進(jìn)后與傳統(tǒng)高可靠194D系列的對(duì)比情況。
圖10對(duì)F外殼尺寸的194D系列設(shè)計(jì)與TM8系列設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較。194D是一種用于眾多高可靠應(yīng)用中的老式設(shè)計(jì)。鉭芯設(shè)計(jì)采用高-k CV粉末，為23kCV.而 TM8 是一種較新的醫(yī)用級(jí)設(shè)計(jì)，使用10Kvc粉末，大幅度改善了DCL性能，而且采用的最新 MAP 裝配工藝，不會(huì)增加板級(jí)空間占用。
圖10
醫(yī)療設(shè)備中的高蓄能鉭電容
小型便攜式或者植入型心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器 （ICD） 適用于與可能因室性快速型心律失常而突發(fā)心臟病死亡的患者。便攜式除顫器與ICD具有類似功能，都是設(shè)計(jì)用于為心臟提供電療，恢復(fù)正常心律。電療線路采用高能充電電容，用于電擊心臟組織。
某些設(shè)計(jì)采用高能鋁電解電容，但需要后備電池以及一個(gè)用來(lái)實(shí)現(xiàn)重整期的程序，以在設(shè)備的生命周期內(nèi)保持良好的充電效率。與鋁電解電容相比，高能濕鉭充電電容無(wú)需重整，且具有更高的能量密度。
電容的儲(chǔ)能能力取決于電介質(zhì)的相對(duì)電容率的值的大小和材料內(nèi)的最大可允許電壓。當(dāng)電場(chǎng)出現(xiàn)后，任何電容電介質(zhì)的導(dǎo)電行為都會(huì)導(dǎo)致電容損耗。而且損耗會(huì)隨電場(chǎng)變化而加大，比如交流電。電介質(zhì)的分子存在出現(xiàn)某種程度的極化，而在電場(chǎng)出現(xiàn)后，初始的時(shí)候這些分子的位移是相反的。部分能量消耗在分子的位移上，并在這個(gè)過(guò)程中消耗殆盡。當(dāng)電場(chǎng)變化或者消失，這種損耗就體現(xiàn)為熱量。
箔式鋁電解電容浸沒(méi)在導(dǎo)電電解質(zhì)中。電介質(zhì)由鋁箔表面的氧化膜構(gòu)成，其厚度一般為50到100納米，其決定了單位電極面積的容量。鉭電容也有氧化物膜層，但厚度要小得多，一般只有5到10納米。選擇儲(chǔ)能設(shè)備使用的電容類型時(shí)，需要考慮工作壽命、板級(jí)空間和成本要求。因?yàn)樾呐K除顫需要非常高的能量，所以只有鋁電解電容和濕鉭電容適用。
結(jié)論
本文討論了便攜式醫(yī)療設(shè)備的各種應(yīng)用及其使用的電路。針對(duì)這些便攜式應(yīng)用，有多種電容可供選擇。選擇適用于這類應(yīng)用的電容時(shí)，優(yōu)先考慮的電氣參數(shù)是電容的DCL和ESR.由于某些醫(yī)療應(yīng)用對(duì)可靠性和電池使用壽命要求極高，一些電容無(wú)法適用。