鉭電容在便攜式電池供電醫(yī)療設備使用的考量因素
背景介紹
便攜式電池供電醫(yī)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(nèi)充電器控制和儲能系統(tǒng)的整體性能。便攜式電池供電醫(yī)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(yī)療設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)療設備對高可靠性的要求，本文就商用鉭電容和醫(yī)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(fā)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(yī)療設備中使用的封裝技術的進展情況。在便攜式醫(yī)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(yī)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(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(wěn)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(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(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取決于合適的ESR，以符合穩(wěn)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(tǒng)負載線路的要求。
轉(zhuǎn)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(wěn)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(zhuǎn)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(lián)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(yī)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(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，因為產(chǎn)生電能的化學反應可以逆轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對電池系統(tǒng)充電。電源、電池類型的選擇視應用而定。醫(yī)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(zhì)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(lián)電阻 （ESR） 是重點考慮的參數(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(chǎn)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(jù)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(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由電壓電路狀態(tài)決定。其可根據(jù)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(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(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候應考慮：
●醫(yī)療設備的性能要求
● 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，在電容技術方面有多項選擇。通過檢查電路負載線的穩(wěn)定性，可以為線路的正常工作選擇合適的電容技術。
對低壓降 （LDO） 穩(wěn)壓器進行負載線穩(wěn)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(tài)穩(wěn)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(wěn)定運行的LDO穩(wěn)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(chǎn)廠家在100kHz條件下定義的。本應用需要10kHz下的ESR，以便實現(xiàn)合適負載線穩(wěn)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(tài)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(tài)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(jié)構的改進，部分標準固態(tài)鉭電容產(chǎn)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(nèi)，可實現(xiàn)出色的電路負載線穩(wěn)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(lián)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(shù)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(xiàn)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(guī)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(yōu)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(tǒng)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(jié)省更多空間以容納更多的鉭芯。而在傳統(tǒng)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？偟膩碚f，傳統(tǒng)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(xiàn)更嚴格的尺寸誤差控制。采用M.A.P.工藝實現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)長時間、高效率的電池壽命。為應對負載變化，與電池并聯(lián)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(xù)的短周期，在大多數(shù)時間里電池處于閑置狀態(tài)。因此，該電容需要極低的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(shù)值很小，所有電容都有這個問題。鉭電容的漏電流為數(shù)微安，而MLCC的漏電流為數(shù)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(lián)電路，加上直流電壓，在室溫下測量電流。電容應串聯(lián)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(jù)電介質(zhì)類型，MLCC有一個IR限值。對采用X5R電介質(zhì)的大電容MLCC，IR限值為》10，000MΩ或 （R x C） ≥ 500ΩF，以低者為準。MLCC均采用符合軍用產(chǎn)品規(guī)范55681的自動IR測試儀進行過IR最小值篩選。
DCL可根據(jù)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/？F V.
鉭電容均根據(jù)規(guī)定的DCL最小值進行過篩選，或者不超過規(guī)定的最大值。鉭電容DCL的測試系根據(jù)軍用產(chǎn)品規(guī)范55365F.各種規(guī)格的鉭電容之間的DCL差異比較明顯，所以每種規(guī)格的鉭電容的限值都是單獨規(guī)定的。
在便攜應用中，較長保壓時間（soak time）下的DCL是電容重要的指標。對于有具體規(guī)格和鉭芯設計的鉭電容，某個生產(chǎn)批次中的DCL分布是可以量化的。如果應用要求極低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(jù)特定的保壓時間篩選后，可為應用提供超低DCL.以圖8的元件為例，該批量可以按照10秒鐘DCL 600nA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(jù)電池供電設備的工作時間和非工作時間來決定。舉例來說，如果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(tài)，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(tài)電流和工作電流進行評估，以確定是否需要低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(zhì)的性能以及電介質(zhì)層的質(zhì)量。DCL電流在加電的情況下，會流經(jīng)或者跨越電容電介質(zhì)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(jīng)電介質(zhì)的表面漏電流、因電介質(zhì)材料極化而出現(xiàn)的電介質(zhì)吸收 （DA） 電流、流經(jīng)電介質(zhì)材料的原生漏電流。類似的，采用基于鈦酸鋇的陶瓷電介質(zhì)的MLCC的漏電流主要是流經(jīng)電介質(zhì)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提供同樣低的DCL.表5 比較說明了根據(jù)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(guī)格。標準二氧化錳 （MnO2）構造的鉭電容在生產(chǎn)廠家處是按照 （。01xCV） 進行分級的。某些電容生產(chǎn)廠家還會隨DCL信息提供具體的保壓時間，并且根據(jù)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(yī)療設備需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(zhuǎn)換器，用于電機驅(qū)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
如果該47uF大容量電容是鉭電容，則應進行適當?shù)碾妷航殿~。降額應根據(jù)鉭電容生產(chǎn)廠家的降額規(guī)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(guī)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(jīng)足夠。對 MLCC 而言，如果已知 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(zhì)。根據(jù)額定工作電壓，可以根據(jù)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(chǎn)批次中的外殼尺寸為 D 和 F 的 MAP 47？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(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(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(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，與聚合物負極結(jié)構相比，鉭電容的二氧化錳負極結(jié)構具有更為優(yōu)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。
圖9
改進醫(yī)用級鉭電容的DCL可靠性
因為某些醫(yī)療設備需要高可靠性，特別是對關鍵任務型應用而言，電容生產(chǎn)廠家提供穩(wěn)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(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)技術生產(chǎn)的高可靠產(chǎn)品。
生產(chǎn)廠家會對每種設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，因此應針對具體的設計選擇合適粒徑的鉭粉。對醫(yī)用級設計而已，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-k CV粉末，為23kCV.而 TM8 是一種較新的醫(yī)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，不會增加板級空間占用。
圖10
醫(yī)療設備中的高蓄能鉭電容
小型便攜式或者植入型心律轉(zhuǎn)復除顫器 （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，都是設計用于為心臟提供電療，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，但需要后備電池以及一個用來實現(xiàn)重整期的程序，以在設備的生命周期內(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(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電電解質(zhì)中。電介質(zhì)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，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(yōu)先考慮的電氣參數(shù)是電容的DCL和ESR.由于某些醫(yī)療應用對可靠性和電池使用壽命要求極高，一些電容無法適用。
編輯：admin 最后修改時間：2018-01-05
