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(多图) 便携式电池供电医疗设备使用钽电容的考量因素

美国威世半导体公司 Patrick Gormally?? Alex Edelman和Pavel Vaisman?? 2010年10月20日 ?? 收藏0

  背景介绍

  便携式电池供电医疗设备的种类繁多,而能够可靠地为这些设备供电的充电器控制电路也有多种选择。精心选择如钽电容这样的无源元件,可以提升便携式设备内充电器控制和储能系统的整体性能。便携式电池供电医疗设备的供电既可以使用一次性电池,也可以使用用电池充电器充电的后备可充电电池。对医疗设备便携性和易用性的需求已经催生了充电控制电路的多项改良。充电器和电池系统已从由许多组件组成的电路,发展为基于集成微处理器的系统,不仅使用的无源元件少,而且布板空间也小。

  鉴于医疗设备对高可靠性的要求,本文就商用钽电容和医用钽电容的设计取舍进行了举例,并介绍了有助于改善性能的一些新发展。本文还重点介绍了电容技术的一般性选择标准和可以在便携式医疗设备中使用的封装技术的进展情况。在便携式医疗设备中最常用的大容量电容类型有多层陶瓷电容 (MLCC)、铝电解电容和固体钽电容。表1就每种电容技术的某些一般特性和可能的缺点进行了介绍。

表1 便携式医疗设备使用的大容量电容的类型

便携式医疗设备使用的大容量电容的类型

  电池充电器基础知识

  对使用可充电二次电池的便携式设备来说,可以使用多种类型的充电器:降压充电器、离线充电器或者线性稳压器/充电器。最常用的类型是降压充电器。这种充电器可以把电池源电压转换为较低电压并予以稳压。转换器可通过外部交流/直流适配器或者内部适配器电路供电。线性稳压器结构紧凑,非常适用于低容量电池充电器应用。单芯片集成解决方案既可为便携式设备供电,同时还可单独对电池进行充电。

  图1是小型直流/直流开关稳压器的例子。它可以为电池充电器提供同步脉冲开关。该脉冲电池充电系统散热小,采用TSSOP封装,高度仅1.2毫米。该器件特性丰富,其中包括可在关断时将电池(Vbat)和外部电源隔离开来。

  充电器中使用的电容有多种类型。输入去耦电容用于旁路噪声。一般将0.1μF MLCC电容布置在Vcc引脚附近,用来滤除高频噪声。

使用威世 Siliconix Si9731实现的锂离子或镍镉/镍氢微处理器电池充电器

图1 使用威世 Siliconix Si9731实现的锂离子或镍镉/镍氢微处理器电池充电器

  输出电容类型的选择应取决于合适的ESR,以符合稳定负载线路范围,同时应进行下列项目的评估:

  1. 能够降低功耗

  2. 能够降低纹波电压

  3. 能够满足系统负载线路的要求。

  转换器负责提供负载电流和电压。随着负载的变化,电流的增加,电压会下降。稳压器可以保持恒定电压,但对负载电流的变化不能迅速做出响应,所以使用大容量电容来应对这样的变化,防止电压下降。如果转换器输出的电流要通过电感,它就无法瞬时响应,这时就需要在负载两端跨接一个并联电容组,来上拉电压。有时会混合使用MLCC和钽电容,以降低总体大容量电容的ESR。由于MLCC的阻抗较低,会先充电,然后才是大容量钽电容。

  电源及输出电容的要求

  便携式医疗设备使用的电池或为一次性电池,或为二次电池。一次性电池一般只使用一次。在电路工作过程中,活性化学物质被消耗殆尽。一旦放电完毕,电路将停止工作,必须更换新的电池。二次电池可以在放电完毕后充电,因为产生电能的化学反应可以逆转,从而实现对电池系统充电。电源、电池类型的选择视应用而定。医疗设备常用的一次性电池类型有碱性电池和锂电池。

  二次电池有锂离子 (Li-ion) 电池、镍镉电池 (NiCad)、镍氢(NiMH) 电池和铅酸电池。其中锂离子电池最常用,这是因为锂离子电池的体积能量密度和质量能量密度最大,放电率极低,这意味着闲置时有良好的荷电保持能力。

表2 钽电容的功耗及容量范围

钽电容的功耗及容量范围

  便携式设备电路需要输出电容,而输出电容通常由一次性或者二次电池供电,可以在负载瞬变过程中减轻电压过冲或者下冲。要有效地滤除噪声,电容的等效串联电阻 (ESR) 是重点考虑的参数。输出电容用来处理电路的纹波电流和电压。需要对电容组的过热予以控制,这样在电路工作中,不会超过最大允许功耗。需要确定的是,通过输出电容的纹波电流不超出允许值。

  表2概述了在+25?C和f=100kHz条件下各种封装(按外壳尺寸划分)的最大允许额定功率。对温升在+25℃以上的应用,建议应进一步进行降额。请参考电容生产厂家关于针对可适用的钽电封装的功率降额建议。

  可使用公式P=Irms2 x ESR计算出最大允许交流纹波电流 (Irms),其中P表示钽电容外壳尺寸对应的最大允许功率,ESR则可根据电容的工作频率计算得出。

  对钽电容,还需要遵守合适的电压降额规范,不可超出生产厂家建议的额定值。输出电容的工作电压应由电压电路状态决定。其可根据公式Vrated=Vpeak+Vdc计算得出,即纹波电压加上直流电压噪声。允许的纹波电压的计算方法为E=IxZ,其中Z表示电容器电阻。总体来说,较低的ESR可以帮助降低输出纹波噪声。

  在电路中加入大容量电容还能在无负载条件下(此时电池尚未工作,使用线路电流供电)起到上电作用。当使用线路电流供电时,在选择大容量钽电容的额定值的时候,应遵从降额规范。


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电池? 医疗设备? 钽电容? MLCC?

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