便攜式電池供電醫(yī)療設(shè)備中鉭電容的使用

　　為確定鉭電容的 DCL 限值，對多個生產(chǎn)批次中的外殼尺寸為 D 和 F 的 MAP 47µF-10V 電容進行了批量測試，并對每個電容的在不同保壓時間(60 秒)下的 DCL 和對應(yīng)的保壓時間都進行了記錄，如圖7 所示。然后采用統(tǒng)計分析方法，確定每個批次的較低 DCL。另外，還采用獨特的成型工藝強化了負極，以提升和降低電容的DCL性能。對任何與標準批次相悖的DCL曲線都予以關(guān)注，最后找出DCL的較低限值。

　　圖4所示的是各種封裝選擇和每種封裝選擇的體積要求。威世的572D系列鉭電容既能滿足DCL要求，又具有最高的體積效率，體積僅為8.39 mm3。如果對空間的要求不是那么嚴苛的話，該應(yīng)用也可使用MLCC。X5R電介質(zhì)MLCC的DCL低至187nA，與選擇鉭電容一樣，只要一個大容量電容就能滿足要求。MLCC X7R電介質(zhì)電容的電容溫度系數(shù)比X5R更加優(yōu)越，但要組成大容量電容需要兩個MLCC電容并聯(lián)。

　　在某些電路中，施壓后電容器保持電容的能力是一個重要的考量因素。對X5R電介質(zhì)MLCC，在選擇元件的額定電壓時，應(yīng)考慮其電容電壓系數(shù) (VCC)。如果包括紋波電壓在內(nèi)的直流應(yīng)用電壓接近MLCC的額定電壓，VCC效應(yīng)會導(dǎo)致該元件損耗部分電容。電容損耗可能會影響電路工作。另外，在選擇元件的時候，還需要考慮溫度對MLCC的IR的影響以及電容溫度系數(shù) (TCC)。生產(chǎn)廠家會提供特定電介質(zhì)隨溫度上升IR的劣化曲線。設(shè)計時應(yīng)對溫度效應(yīng)進行評估。

　　改善鉭電容的DCL

　　鉭電容的電介質(zhì)層是一層五氧化二鉭薄膜，覆蓋在每顆鉭芯表面上。其采用陽極化工藝，由厚5nm~10nm的N型氧化鉭層和五氧化二鉭純半導(dǎo)體層復(fù)合而成。層厚與陽極化電壓成比例，同時決定了元件的額定電壓。對用于6V電池應(yīng)用的固鉭電容而言，最終的鉭電介質(zhì)層厚度為0.04微米或者40納米。

　　超大容量的MLCC則采用澆覆厚度為2.0微米的陶瓷電介質(zhì)薄層的方式來制造，這樣比鉭電容的要厚得多。MLCC采用層疊工藝，最終制造出多層電容。與鉭電容一樣，MLCC的電介質(zhì)層厚度決定了額定電壓，電介質(zhì)層數(shù)決定了容量。介電常數(shù)的差異導(dǎo)致了IR的巨大差別。

　　鉭電容的DCL會因為正極表面的機械損壞或者氧化層表面的破裂而上升。如圖8所示，正極的外表面屬于易損部分，受到熱、機械和電氣作用的共同影響。表面DCL會受濕度的影響，并導(dǎo)致長時間工作的不穩(wěn)定。

　　改進鉭芯的生產(chǎn)工藝，更好地控制氧化物層的厚度，可以幫助消除如圖 8所示的表面DCL問題。在鉭芯的外表面生成較厚的電介質(zhì)薄膜，防止其受到機械損壞，從而大幅改善DCL性能，降低DCL。除了改進鉭電容的正極結(jié)構(gòu)，與聚合物負極結(jié)構(gòu)相比，鉭電容的二氧化錳負極結(jié)構(gòu)具有更為優(yōu)異的 DCL 性能，因該材料有更好的導(dǎo)電性。

　　圖9顯示了采用這種新技術(shù)制造而具有出色DCL性能的新型MAP 0603封裝。結(jié)合對鉭芯的改進，最新 MAP 系列鉭封裝能夠改善裝配、封裝和端接工藝，避免機械損壞，提升電容的體積效率。

　　改進醫(yī)用級鉭電容的DCL可靠性

　　因為某些醫(yī)療設(shè)備需要高可靠性，特別是對關(guān)鍵任務(wù)型應(yīng)用而言，電容生產(chǎn)廠家提供穩(wěn)健且保守的設(shè)計來滿足性能需求。通過精心的鉭芯和鉭粉設(shè)計，醫(yī)用鉭電容的性能會高出標準的商用鉭電容以及采用傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的高可靠產(chǎn)品。

　　圖9

　　生產(chǎn)廠家會對每種設(shè)計適用的鉭粉進行評估。隨電容器CV的增長，失效率隨之增長，因此應(yīng)針對具體的設(shè)計選擇合適粒徑的鉭粉。對醫(yī)用級設(shè)計而已，其目的是在可用的外殼尺寸范圍內(nèi)提供更為可靠的DCL性能。對商用級設(shè)計而言，其目的是通過以最小的可用外殼尺寸提供更高的-k CV鉭粉，從而盡量降低成本，最大化設(shè)計收益。因此商用鉭電容的DCL總體上會高于醫(yī)用鉭電容。

　　下面舉例說明目前的醫(yī)用TM8系列DCL改進后與傳統(tǒng)高可靠194D系列的對比情況。

　　圖10對F外殼尺寸的194D系列設(shè)計與TM8系列設(shè)計進行了比較。194D是一種用于眾多高可靠應(yīng)用中的老式設(shè)計。鉭芯設(shè)計采用高-k CV粉末，為23kCV。而 TM8 是一種較新的醫(yī)用級設(shè)計，使用10Kvc粉末，大幅度改善了DCL性能，而且采用的最新 MAP 裝配工藝，不會增加板級空間占用。

　　圖10

　　醫(yī)療設(shè)備中的高蓄能鉭電容

　　小型便攜式或者植入型心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器 (ICD) 適用于與可能因室性快速型心律失常而突發(fā)心臟病死亡的患者。便攜式除顫器與ICD具有類似功能，都是設(shè)計用于為心臟提供電療，恢復(fù)正常心律。電療線路采用高能充電電容，用于電擊心臟組織。

　　某些設(shè)計采用高能鋁電解電容，但需要后備電池以及一個用來實現(xiàn)重整期的程序，以在設(shè)備的生命周期內(nèi)保持良好的充電效率。與鋁電解電容相比，高能濕鉭充電電容無需重整，且具有更高的能量密度。

　　電容的儲能能力取決于電介質(zhì)的相對電容率的值的大小和材料內(nèi)的最大可允許電壓。當電場出現(xiàn)后，任何電容電介質(zhì)的導(dǎo)電行為都會導(dǎo)致電容損耗。而且損耗會隨電場變化而加大，比如交流電。電介質(zhì)的分子存在出現(xiàn)某種程度的極化，而在電場出現(xiàn)后，初始的時候這些分子的位移是相反的。部分能量消耗在分子的位移上，并在這個過程中消耗殆盡。當電場變化或者消失，這種損耗就體現(xiàn)為熱量。

　　箔式鋁電解電容浸沒在導(dǎo)電電解質(zhì)中。電介質(zhì)由鋁箔表面的氧化膜構(gòu)成，其厚度一般為50到100納米，其決定了單位電極面積的容量。鉭電容也有氧化物膜層，但厚度要小得多，一般只有5到10納米。選擇儲能設(shè)備使用的電容類型時，需要考慮工作壽命、板級空間和成本要求。因為心臟除顫需要非常高的能量，所以只有鋁電解電容和濕鉭電容適用。

　　結(jié)論

　　本文討論了便攜式醫(yī)療設(shè)備的各種應(yīng)用及其使用的電路。針對這些便攜式應(yīng)用，有多種電容可供選擇。選擇適用于這類應(yīng)用的電容時，優(yōu)先考慮的電氣參數(shù)是電容的DCL和ESR。由于某些醫(yī)療應(yīng)用對可靠性和電池使用壽命要求極高，一些電容無法適用。