電池充電器基礎知識

　　對使用可充電二次電池的便攜式設備來說，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換為較低電壓并予以穩壓。轉換器可通過外部交流/直流適配器或者內部適配器電路供電。線性穩壓器結構緊湊，非常適用于低容量電池充電器應用。單芯片集成解決方案既可為便攜式設備供電，同時還可單獨對電池進行充電。

　　圖1是小型直流/直流開關穩壓器的例子。它可以為電池充電器提供同步脈沖開關。該脈沖電池充電系統散熱小，采用TSSOP封裝，高度僅1.2毫米。該器件特性豐富，其中包括可在關斷時將電池（Vbat）和外部電源隔離開來。

　　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，用來濾除高頻噪聲。

　　圖1 使用威世 Siliconix Si9731實現的鋰離子或鎳鎘/鎳氫微處理器電池充電器

　　輸出電容類型的選擇應取決于合適的ESR，以符合穩定負載線路范圍，同時應進行下列項目的評估：

　　1. 能夠降低功耗

　　2. 能夠降低紋波電壓

　　3. 能夠滿足系統負載線路的要求。

　　轉換器負責提供負載電流和電壓。隨著負載的變化，電流的增加，電壓會下降。穩壓器可以保持恒定電壓，但對負載電流的變化不能迅速做出響應，所以使用大容量電容來應對這樣的變化，防止電壓下降。如果轉換器輸出的電流要通過電感，它就無法瞬時響應，這時就需要在負載兩端跨接一個并聯電容組，來上拉電壓。有時會混合使用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

　　便攜式醫療設備使用的電池或為一次性電池，或為二次電池。一次性電池一般只使用一次。在電路工作過程中，活性化學物質被消耗殆盡。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，因為產生電能的化學反應可以逆轉，從而實現對電池系統充電。電源、電池類型的選擇視應用而定。醫療設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，這是因為鋰電池的體積能量密度和質量能量密度最大，放電率極低，這意味著閑置時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，可以在負載瞬變過程中減輕電壓過沖或者下沖。要有效地濾除噪聲，電容的等效串聯電阻 （ESR） 是重點考慮的參數。輸出電容用來處理電路的紋波電流和電壓。需要對電容組的過熱予以控制，這樣在電路工作中，不會超過最大允許功耗。需要確定的是，通過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。對溫升在+25℃以上的應用，建議應進一步進行降額。請參考電容生產廠家關于針對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應的最大允許功率，ESR則可根據電容的工作頻率計算得出。

　　對鉭電容，還需要遵守合適的電壓降額規范，不可超出生產廠家建議的額定值。輸出電容的工作電壓應由電壓電路狀態決定。其可根據公式Vrated=Vpeak+Vdc計算得出，即紋波電壓加上直流電壓噪聲。允許的紋波電壓的計算方法為E=IxZ，其中Z表示電容器電阻。總體來說，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負載條件下（此時電池尚未工作，使用線路電流供電）起到上電作用。當使用線路電流供電時，在選擇大容量鉭電容的額定值的時候，應遵從降額規范。

　　為電池供電的低壓降穩壓器（LDO）選擇輸出電容

　　便攜式設備中的線性電壓穩壓器或低壓降穩壓器（LDO）均采用電池供電。電容的大小非常重要，因為LDO一般采用小型SOT封裝。在負載變化時，常用 LDO來確保提供高精度電壓。在50mA負載電流下，出現90mV壓降非常典型。舉例來說，如果低壓降穩壓器的生產廠家規定使用電容的目的是降低噪聲，那么在選擇電容類型的時候應考慮：

　　●醫療設備的性能要求

　　● 規定的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，在電容技術方面有多項選擇。通過檢查電路負載線的穩定性，可以為線路的正常工作選擇合適的電容技術。

　　對低壓降 （LDO） 穩壓器進行負載線穩定性分析可以得出各種負載情況下的最低和最高ESR 值。

　　舉例來說，如果使用10μF的鉭電容用于負載線瞬態穩定，10kHz下測得的ESR的安全工作范圍為最大10Ω，最低10mΩ（見圖2）。

　　圖2 穩定運行的LDO穩壓器對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。對該應用來說，符合要求的低ESR電容技術種類比較多。鉭電容的ESR一般情況下都是生產廠家在100kHz條件下定義的。本應用需要10kHz下的ESR，以便實現合適負載線穩定性。

　　選擇合適的電容可以通過10kHz時的阻抗-頻率關系來確定。如表2所示，有幾種固態鉭電容適用于該應用。MLCC、鉭電容、鋁電解電容的對應ESR請參見表2.雖然與采用錳負極的標準固態鉭電容相比，鉭聚合物電容ESR更低，但由于近期采用二氧化錳（MnO2） 負極對鉭電容結構的改進，部分標準固態鉭電容產品的ESR 低于 50mΩ，完全可以用于LDO應用。

　　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，可實現出色的電路負載線穩定性。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一個小電阻，以便為ESR提供安全工作范圍。由于空間及組件數量有限，采用單個0603鉭電容就可以同時滿足ESR和空間要求。

　　圖4 鉭電容的尺寸縮減

　　在某些情況下，在電路中同時需要大容量電容來減少壓降，以及超低ESR來處理紋波。在更高效率和更低功耗之間實現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。MLCC0 0805是采用400層0805大小的X5R介電層的電容，規格為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。然而對于在本應用中用于LDO的電容來說，更低的ESR并不具有優勢。

　　在本例應用的電容選擇中，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 對多陣列封裝 （M.A.P.） 裝配技術和傳統封裝技術進行了比較。在標準鉭電容封裝中取消引線框裝配可以節省更多空間以容納更多的鉭芯。而在傳統引線框封裝中，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占用封裝空間。總的來說，傳統引線框架封裝可用體積有效利用率僅30%.

　　如圖 6 所示，通過采用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，實現更嚴格的尺寸誤差控制。采用M.A.P.工藝實現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”。舉例來說，標準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）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。