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便携式电池供电医疗设备中钽电容的使用

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式项改良。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。

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。这种充电品种 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。

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0.1UF MLCC电容布置在Vcc引脚附近,用来滤除高频噪声。

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(Ni Cad)、镍氢(Ni MH)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。

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过允许值。

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=1*Z,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。

为电池供电的低压降稳压器(LDO)选择输出电容

便携式设备中的线性电压稳压器或低压降稳压器(LDO)均采用电池供电。电容的大小非常重要,因为LDO一般采用小型SOT封装。在负载变化时,常用LDO来确保提供高精度电压。在50mA负载电流下,出现90mV压降非常典型。举例来说,如果低压降稳压器的生产厂家规定使用电容的目的是降低噪声,那么在选择电容类型的时候应考虑:

1、医疗设备的性能要求

2、规定的ESR安全工作范围

3、电容的尺寸及成本

4、额定电压

在某些情况下,在电路中同时需要大容量电容来减少压降,以及超低ESR来处理纹波。在更高效率和更低功耗之间实现最佳平衡倾向于使用ESR较低的电容。

也可以使用其他具有较高ESR的电容技术。MLCCO 0805是采用400层0805大小的*5R介电层的电容,规格为10UF-10V。另有采用0603*5R介电层的10UF-10V电容。它们的ESR在10KHZ条件下为20mΩ。与钽电容相比,MLCC电容的ESR非常低。然而对于在本应用中用于LDO的电容来说,更低的ESR并不具有优势。

电容直流漏电/绝缘电阻比较

在用电池作为电源的时候,电容直流漏电流(DCL)应被视为损耗,因为电容会影响电池的使用状况和寿命。除了电池,大容量电容也用作便携式设备中的补充电源,以应对电路负载的变动。

许多便携式设备应用要求低DCL,以实现长时间、高效率的电池寿命。为应对负载变化,与电池并联一个大容量输出电容可以保持储电能力。在某些应用中,设备的运行时间是时断时续的短周期,在大多数时间里电池处于闲置状态。因此,该电容需要极低的DCL来满足便携式设备的应用需求,尽量延长电池的使用寿命。

直流漏电数值很小,所有电容都有这个问题。钽电容的漏电流为数微安,而MLCC的漏电流为数微微安。直流漏电流的测量方法是采用等效的电阻-电容串联电路,加上直流电压,在室温下测量电流。电容应串联一个1000Ω的电阻,以限制充电电流。

 

信息来源:钽电

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