便攜式電池供電醫(yī)療設(shè)備中鉭電容的使用

　　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。精心選擇如鉭電容這樣的無源元件，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

　　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(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。歡迎轉(zhuǎn)載，本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.elecfans.com/)

　　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電感，它就無法瞬時(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?。一次性電池一般只使用一次。在電路工作過程中，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。

　　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(lián)電阻 (ESR) 是重點(diǎn)考慮的參數(shù)。輸出電容用來處理電路的紋波電流和電壓。需要對(duì)電容組的過熱予以控制，這樣在電路工作中，不會(huì)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+25C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(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。舉例來說，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。

　　舉例來說，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(見圖2)。