鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2020年07月08日
便攜式電池供電醫療設備中鉭電容的使用
背景介紹
便攜式電池供電醫療設備的種類繁多，而能夠可靠地為這些設備供電的充電器控制電路也有多種選擇。如無源元件鉭電容（如貼片鉭電容和片狀電容），可以提升便攜式設備內充電器控制和儲能系統的整體性能。便攜式電池供電醫療設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。對醫療設備便攜性和易用性的需求已經催生了充電控制電路的多項改良。充電器和電池系統已從由許多組件組成的電路，發展為基于集成微處理器的系統，不僅使用的無源元件少，而且布板空間也小。
鑒于醫療設備對高可靠性的要求，本文就商用鉭電容和醫用鉭電容的設計取舍進行了舉例，并介紹了有助于改善性能的一些新發展。本文還重點介紹了電容技術的一般性選擇標準和可以在便攜式醫療設備中使用的封裝技術的進展情況。在便攜式醫療設備中最常用的大容量電容類型有多層陶瓷電容（MLCC）、鋁電解電容和固體鉭電容。表1就每種電容技術的某些一般特性和可能的缺點進行了介紹。
表1便攜式醫療設備使用的大容量電容的類型
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。單芯片集成解決方法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供應同步脈沖開關。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0.1μFMLCC電容布置在Vcc引腳附近，用來濾除高頻噪聲。
圖1使用威世SiliconixSi9731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。
轉換器負責供應負載電流和電壓。隨著負載的變化，電流的新增，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。假如轉換器輸出的電流要通過電感，它就無法瞬時響應，這時就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，因為出現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離子電池。
二次電池有鋰離子電池、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，這是因為鋰離子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。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。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有關針對可適用的鉭電封裝的功率降額建議。
可使用公式p=Irms2xESR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?？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載條件下（此時電池尚未工作，使用線路電流供電）起到上電用途。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來確保供應高精度電壓。在50mA負載電流下，出現90mV壓降非常典型。舉例來說，假如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，假如使用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，假如LDO要高效率地工作，則要低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條件下含義的。本應用要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30603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1.19Ω，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，假如采用具有10mΩ以下超低ESR的MLCC電容，在電路中就要給電容串聯一個小電阻，以便為ESR供應安全工作范圍。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。MLCC00805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0603X5R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。然而關于在本應用中用于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要考慮的因素。
圖5M.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供應更好的參照線。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。
電容直流漏電/絕緣電阻比較
在用電池作為電源的時候，電容直流漏電流（DCL）應被視為損耗，因為電容會影響電池的使用狀況和壽命。除了電池，大容量電容也用作便攜式設備中的補充電源，以應對電路負載的變動。
許多便攜式設備應用要求低DCL，以實現長時間、高效率的電池壽命。為應對負載變化，與電池并聯一個大容量輸出電容可以保持儲電能力。在某些應用中，設備的運行時間是時斷時續的短周期，在大多數時間里電池處于閑置狀態。因此，該電容要極低的DCL來滿足便攜式設備的應用需求，盡量延長電池的使用壽命。
直流漏電數值很小，所有電容都有這個問題。鉭電容的漏電流為數微安，而MLCC的漏電流為數微微安。直流漏電流的測量方法是采用等效的電阻-電容串聯電路，加上直流電壓，在室溫下測量電流。電容應串聯一個1000Ω的電阻，以限制充電電流。
圖7鉭電容的DCL曲線
描述DCL的術語和測量單位隨電容技術不同而不同。DCL是用于鉭電容的測量單位，而絕緣電阻（IR）則是用于MLCC的測量單位。根據電介質類型，MLCC有一個IR限值。對采用X5R電介質的大電容MLCC，IR限值為》10，000MΩ或（RxC）≥500ΩF，以低者為準。MLCC均采用符合特種產品規范55681的自動IR測試儀進行過IR最小值篩選。
DCL可根據歐姆定律，用電容的IR和額定電壓計算得出。舉例來說，MLCC的IR限值為100MΩ-？F，相當于鉭電容標準DCL限值則為0.01，即（電容x電壓）=0.01？A/？FV.
鉭電容均根據規定的DCL最小值進行過篩選，或者不超過規定的最大值。鉭電容DCL的測試系根據特種產品規范55365F.各種規格的鉭電容之間的DCL差異比較明顯，所以每種規格的鉭電容的限值都是單獨規定的。
在便攜應用中，較長保壓時間（soaktime）下的DCL是電容重要的指標。關于有具體規格和鉭芯設計的鉭電容，某個生產批次中的DCL分布是可以量化的。假如應用要求極低DCL，可以方便地從某個批次中自動篩選出某個額定電壓下具有特定DCL符合便攜式設備使用條件的鉭電容。
圖8是一種47uF-10V的鉭電容，雖然其最大DCL為4.7？A，根據特定的保壓時間篩選后，可為應用供應超低DCL.以圖8的元件為例，該批量可以按照10秒鐘DCL600nA的標準篩選，從而把總體DCL從4.7uA降至600nA限值。
圖8一種47uF-10V的鉭電容
DCL限值應根據電池供電設備的工作時間和非工作時間來決定。舉例來說，假如某便攜式設備的工作時間很短，只有幾秒鐘，而隨后長期處于閑置狀態，那么大容量電容應具備低DCL，以保證較長的電池使用壽命。另外，應該對電路的總體靜態電流和工作電流進行評估，以確定是否要低DCL電容。
電池運行時間和DCL
對可充電二次電池來說，DCL也很重要，這樣可以延長充電間隔時間，不過總體工作電流中可以允許輸出電容一定程度的漏電流存在。評估電路在各種使用狀況下的電流要求，了解電容的DCL，可以顯著延長電池使用壽命。
通過測量DCL或者IR可以了解電容電介質的性能以及電介質層的質量。DCL電流在加電的情況下，會流經或者跨越電容電介質隔離層。對鉭電容這樣采用氧化膜制造的電容來說，DCL電流的主體構成部分是多種電流混合而成，有流經電介質的表面漏電流、因電介質材料極化而出現的電介質吸收（DA）電流、流經電介質材料的原生漏電流。類似的，采用基于鈦酸鋇的陶瓷電介質的MLCC的漏電流重要是流經電介質的漏電流，以及DA損耗和原生漏電流。
MLCC具有良好的低DCL特性，但在某些情況下，鉭電容能夠以更小的體積供應同樣低的DCL.表5比較說明了根據DCL要求正確評估和選擇合適的電容的計算方法。如表5所示，鉭電容一般按照DCL最大值來確定規格。標準二氧化錳（MnO2）構造的鉭電容在生產廠家處是按照（。01xCV）進行分級的。某些電容生產廠家還會隨DCL信息供應具體的保壓時間，并且根據比同級別的DCL最大值低得多的具體DCL限值進行電容器的預篩選。
選擇適用的低DCL電容
舉例來說，某種短工作占空比的便攜式電池供電醫療設備要線路每天啟動電機幾秒鐘，然后關閉。這樣的應用可以使用低DCL的大容量電容。
具體使用：
●DC/DC轉換器，用于電機驅動
●輸入電壓：1.5V
●固定輸出電壓：3.3V
●輸出電流：200mA@2V
●大容量輸出電容：47？F
●保壓時間60秒時的DCL=200nA
假如該47uF大容量電容是鉭電容，則應進行適當的電壓降額。降額應根據鉭電容生產廠家的降額規范，具體示例見表4.本示例選擇了10V的額定電壓。
表4鉭電容的降額規范
MLCC的額定電壓可以與工作電壓相同或者略高，因此6V的額定電壓已經足夠。對MLCC而言，假如已知IR（見表5）和工作電壓（4V），可以計算出DCL.適用于低DCL應用的MLCC有X5R和X7R兩種電介質。根據額定工作電壓，可以根據歐姆定律，用元件的IR值計算出DCL.
表5低DCL電容器選擇
為確定鉭電容的DCL限值，對多個生產批次中的外殼尺寸為D和F的MAp47？F-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和對應的保壓時間都進行了記錄，如圖7所示。然后采用統計分析方法，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8.39mm3.假如對空間的要求不是那么嚴苛的話，該應用也可使用MLCC.X5R電介質MLCC的DCL低至187nA，與選擇鉭電容相同，只要一個大容量電容就能滿足要求。MLCCX7R電介質電容的電容溫度系數比X5R更加優越，但要組成大容量電容要兩個MLCC電容并聯。
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MLCC，在選擇元件的額定電壓時，應考慮其電容電壓系數（VCC）。假如包括紋波電壓在內的直流應用電壓接近MLCC的額定電壓，VCC效應會導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，還要考慮溫度對MLCC的IR的影響以及電容溫度系數（TCC）。生產廠家會供應特定電介質隨溫度上升IR的劣化曲線。設計時應對溫度效應進行評估。
改善鉭電容的DCL
鉭電容的電介質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體層復合而成。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電池應用的固鉭電容而言，最終的鉭電介質層厚度為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。與鉭電容相同，MLCC的電介質層厚度決定了額定電壓，電介質層數決定了容量。介電常數的差異導致了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、機械和電氣用途的共同影響。表面DCL會受濕度的影響，并導致長時間工作的不穩定。
改進鉭芯的生產工藝，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構，與聚合物負極結構相比，鉭電容的二氧化錳負極結構具有更為優異的DCL性能，因該材料有更好的導電性。
圖9顯示了采用這種新技術制造而具有出色DCL性能的新型MAp0603封裝。結合對鉭芯的改進，最新MAp系列鉭封裝能夠改善裝配、封裝和端接工藝，防止機械損壞，提升電容的體積效率。
圖9
改進醫用級鉭電容的DCL可靠性
因為某些醫療設備要高可靠性，特別是對關鍵任務型應用而言，電容生產廠家供應穩健且保守的設計來滿足性能需求。通過精心的鉭芯和鉭粉設計，醫用鉭電容的性能會高出標準的商用鉭電容以及采用傳統技術生產的高可靠產品。
生產廠家會對每種設計適用的鉭粉進行評估。隨電容器CV的上升，失效率隨之上升，因此應針對具體的設計選擇合適粒徑的鉭粉。對醫用級設計而已，其目的是在可用的外殼尺寸范圍內供應更為可靠的DCL性能。對商用級設計而言，其目的是通過以最小的可用外殼尺寸供應更高的-kCV鉭粉，從而盡量降低成本，最大化設計收益。因此商用鉭電容的DCL總體上會高于醫用鉭電容。
下面舉例說明目前的醫用TM8系列DCL改進后與傳統高可靠194D系列的比較情況。
圖10對F外殼尺寸的194D系列設計與TM8系列設計進行了比較。194D是一種用于眾多高可靠應用中的老式設計。鉭芯設計采用高-kCV粉末，為23kCV.而TM8是一種較新的醫用級設計，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，不會新增板級空間占用。
圖10
醫療設備中的高蓄能鉭電容
小型便攜式或者植入型心律轉復除顫器（ICD）適用于與可能因室性快速型心律失常而突發心臟病死亡的患者。便攜式除顫器與ICD具有類似功能，都是設計用于為心臟供應電療，恢復正常心律。電療線路采用高能充電電容，用于電擊心臟組織。
某些設計采用高能鋁電解電容，但要后備電池以及一個用來實現重整期的程序，以在設備的生命周期內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的相對電容率的值的大小和材料內的最大可允許電壓。當電場出現后，任何電容電介質的導電行為都會導致電容損耗。而且損耗會隨電場變化而加大，比如交流電。電介質的分子存在出現某種程度的極化，而在電場出現后，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，這種損耗就體現為熱量。
箔式鋁電解電容浸沒在導電電解質中。電介質由鋁箔表面的氧化膜構成，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。選擇儲能設備使用的電容類型時，要考慮工作壽命、板級空間和成本要求。因為心臟除顫要非常高的能量，所以只有鋁電解電容和濕鉭電容適用。
結論
本文討論了便攜式醫療設備的各種應用及其使用的電路。針對這些便攜式應用，有多種電容可供選擇。選擇適用于這類應用的電容時，優先考慮的電氣參數是電容的DCL和ESR.由于某些醫療應用對可靠性和電池使用壽命要求極高，一些電容無法適用。
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