電池充電器基礎(chǔ)知識

　　對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。

　　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，電壓會下降。穩(wěn)壓器可以保持恒定電壓，但對負(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(shè)備使用的電池或?yàn)橐淮涡噪姵兀驗(yàn)槎坞姵亍Ｒ淮涡噪姵匾话阒皇褂靡淮巍Ｔ陔娐饭ぷ鬟^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?yàn)殇囯姵氐捏w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(yīng)用，建議應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行降額。請參考電容生產(chǎn)廠家關(guān)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(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。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(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(yùn)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(yīng)用來說，符合要求的低ESR電容技術(shù)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(yīng)用需要10kHz下的ESR，以便實(shí)現(xiàn)合適負(fù)載線穩(wěn)定性。

　　選擇合適的電容可以通過10kHz時(shí)的阻抗-頻率關(guān)系來確定。如表2所示，有幾種固態(tài)鉭電容適用于該應(yīng)用。MLCC、鉭電容、鋁電解電容的對應(yīng)ESR請參見表2.雖然與采用錳負(fù)極的標(biāo)準(zhǔn)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(fù)極對鉭電容結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，部分標(biāo)準(zhǔn)固態(tài)鉭電容產(chǎn)品的ESR 低于 50mΩ，完全可以用于LDO應(yīng)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(shí)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(shí)現(xiàn)出色的電路負(fù)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(gè)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(gè)0603鉭電容就可以同時(shí)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(shí)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(shí)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(shù)。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(yīng)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(yīng)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(jìn)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(shù)和傳統(tǒng)封裝技術(shù)進(jìn)行了比較。在標(biāo)準(zhǔn)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。總的來說，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(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的尺寸誤差控制。采用M.A.P.工藝實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)）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。