為電池供電的低壓降穩(wěn)壓器(LDO)如何選擇輸出電容

便攜式電池供電醫(yī)療設(shè)備的種類(lèi)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。精心選擇如電容" target="_blank">鉭電容這樣的無(wú)源元件，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。

電容器由稀有金屬坩堝制成，將坩堝研磨成細(xì)粉末，并與其他介質(zhì)一起燒結(jié)。由于金屬鉭的固有特性，鉭電容器具有穩(wěn)定性好、不因?yàn)榄h(huán)境變化、電容大等特點(diǎn)。

在某些方面，陶瓷電容器具有一些無(wú)法比較的特性，因此許多陶瓷不適合使用，電容器廣泛用于電容器上。

隨著鉭電容器在市場(chǎng)上的使用越來(lái)越多，型號(hào)和供應(yīng)商的增加，價(jià)格的下降，今天許多行業(yè)都使用鉭電容器代替鋁電解電容器。

當(dāng)然，鉭電容器也有自己的缺陷，比如耐壓高，這極大地限制了鉭電容器的使用，以音頻電路為例，音頻電路通常包括濾波、耦合、旁路、分頻等電容器，如何在電路中更有效地使用電容器對(duì)音頻質(zhì)量的提高有較大影響。音頻電路中耦合電容的最大部分是使用的鉭電容。

鉭電容的原理是使得鉭極在空氣中容易氧化，人們用它的氧化膜作為介質(zhì)，因?yàn)殂g極容易氧化，所以鉭電容具有自動(dòng)“愈合傷口”的修復(fù)作用，所以它經(jīng)久耐用，可靠性高。由于氧化膜很薄，鉭電容兩板之間的距離非常近，因此沒(méi)有感抗，非常靈敏，因此充放電速度快。

鑒于醫(yī)療設(shè)備對(duì)高可靠性的要求，本文就商用

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(lèi)型的充電器：降壓充電器、離線(xiàn)充電器或者線(xiàn)性穩(wěn)壓器/充電器。最常用的類(lèi)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(xiàn)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(lèi)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。

輸出電容類(lèi)型的選擇應(yīng)取決于合適的ESR，以符合穩(wěn)定負(fù)載線(xiàn)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(mǎn)足系統(tǒng)負(fù)載線(xiàn)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?，或?yàn)槎坞姵?。一次性電池一般只使用一次。在電路工作過(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(lèi)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(lèi)型有堿性電池和鋰電池。

二次電池有鋰離子 (Li-ion) 電池、鎳鎘電池 (NiCad)、鎳氫(NiMH) 電池和鉛酸電池。其中鋰離子電池最常用，這是因?yàn)殇囯x子電池的體積能量密度和質(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。

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?C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?？傮w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(xiàn)路電流供電)起到上電作用。當(dāng)使用線(xiàn)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(xiàn)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(lèi)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

要滿(mǎn)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(xiàn)的穩(wěn)定性，可以為線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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)。

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(lèi)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(xiàn)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。

鉭電容ESR比較小，如果輸入電壓比較高，上電瞬間流過(guò)電容本身的瞬態(tài)電流就比較大，所以容易放炮，鉭電容不適合放在電源輸入端或者電源附近，一般放在芯片周?chē)糜跒V波和退耦。

輸入端用鉭電容做電源濾波不太安全，接鉭電容易被炸

問(wèn)：在dcdc電源模塊輸入、輸出端接鉭電容是否有影響?

解答：鉭電容比較容易擊穿而呈短路特性，抗浪涌能力差，很可能由于一個(gè)大的瞬間電流導(dǎo)致電容燒毀而形成短路，或是開(kāi)機(jī)瞬間產(chǎn)生一個(gè)很高的浪涌電壓，造成鉭電容過(guò)壓擊穿，模塊在應(yīng)用時(shí)，輸入端最好不要接鉭電容。建議輸入濾波電路用陶瓷電容或是電解電容。模塊的輸出電壓很穩(wěn)定，在輸出端接鉭電容必須確保耐壓值為輸出電壓的2倍以上

鉭電容是容易炸，容值越大，電壓越高，越容易燒。鉭電容貴暫且不說(shuō)，放在板子上就是顆定時(shí)炸彈啊。我用鉭電容都是在3.3V(含3.3V)以下的。只要不是體積有限制，用電解電容+貼片陶瓷電容效果不差的。

電解電容容值取大一些對(duì)紋波會(huì)更好一些嗎? 容值越大，應(yīng)該ESR越小。

電容大對(duì)ESR不好，但是可以用4.7uF/0.1uF的陶瓷電容并聯(lián)減小ESR。 電容大的好處是，電容大了儲(chǔ)能多，負(fù)載電流突然增大后，電容能提供更多的電荷。

用耐壓值高的鉭電容會(huì)好一點(diǎn)。主要是通過(guò)紋波電流能力比較小。如果不差錢(qián)的話(huà)，果斷固態(tài)聚合物電容啊

鋁電解電容，一般是容值越大，ESL越大。