便携式电池供电医疗设备基础知识对使用可充电二次电池的应用

便携式电池供电医疗设备基础知识对使用可充电二次电池的应用

背景介绍

便携式电池供电的医疗设备有多种类型，并且可以为这些设备可靠供电的充电器控制电路有多种选择。 仔细选择钽电容器等无源元件可以提高便携式设备内充电器控制和能量存储系统的整体性能。 便携式电池供电的医疗设备可以由一次性电池或使用电池充电器充电的备用可充电电池供电。 医疗设备对便携性和易用性的需求导致了充电控制电路的多项改进。 充电器和电池系统已从由许多组件组成的电路发展为基于微处理器的集成系统，该系统使用更少的无源组件并且需要更少的电路板空间。

鉴于医疗设备的高可靠性要求，本文重点关注商用

电池充电器基础知识

对于使用可充电二次电池的便携式设备，有多种类型的充电器可供选择：降压充电器、离线充电器或线性稳压器/充电器。 最常见的类型是降压充电器。 该充电器将电池电源电压转换为较低电压并进行调节。 该转换器可通过外部 AC/DC 适配器或内部适配器电路供电。 线性稳压器结构紧凑，非常适合低容量电池充电器应用。 单芯片集成解决方案可以为便携式设备供电，同时独立为电池充电。

图 1 是小型 DC/DC 开关稳压器的示例。 它可以为电池充电器提供同步脉冲开关。 脉冲电池充电系统散热低，采用TSSOP封装，高度仅为1.2mm。 该器件功能丰富，包括能够在关机期间将电池 (Vbat) 与外部电源隔离。

充电器中使用的电容器有多种类型。 输入去耦电容器用于旁路噪声。 一般在Vcc引脚附近放置一个0.1μF的MLCC电容，以滤除高频噪声。 欢迎转载，本文来自电子爱好者网()

图 1 使用 实现的锂离子或 NiCd/NiMH 微处理器电池充电器

输出电容器类型的选择应根据适当的 ESR 来确定，以满足稳定的负载线范围，并对以下项目进行评估：

1、降低功耗的能力

2. 降低纹波电压的能力

3.能够满足系统负载线的要求。

转换器负责提供负载电流和电压。 随着负载的变化，电流增加，电压降低。 稳压器可以维持恒定电压，但无法快速响应负载电流的变化，因此需要使用大电容器来处理此类变化并防止电压下降。 如果转换器输出的电流通过电感器，则无法瞬时响应。 在这种情况下，需要在负载两端连接一个并联电容器组来上拉电压。 有时，会混合使用 MLCC 和钽电容器来降低整体大容量电容器 ESR。 由于MLCC的阻抗较低，所以会先充电，然后是大容量钽电容。

电源和输出电容器要求

便携式医疗设备中使用的电池是一次性电池或二次电池。 一次性电池一般只使用一次。 在电路运行期间，活性化学物质会被耗尽。 一旦放电完成，电路将停止工作，必须更换新电池。 二次电池在放电后可以再充电，因为产生电力的化学反应可以逆转，从而使电池系统可以再充电。 电源和电池类型的选择取决于应用。 医疗设备常用的一次性电池类型是碱性电池和锂电池。

二次电池包括锂离子(Li-ion)电池、镍镉电池(NiCad)、镍氢(NiMH)电池和铅酸电池。 其中，最常用的是锂离子电池。 这是因为锂离子电池具有最大的体积能量密度和质量能量密度，并且具有极低的放电倍率，这意味着它们在闲置时具有良好的电荷保持能力。

表2 钽电容器的功耗和容量范围

便携式设备电路需要输出电容器（通常由一次电池或二次电池供电），以减轻负载瞬态期间的电压过冲或下冲。 为了有效滤除噪声，电容器的等效串联电阻（ESR）是需要考虑的重要参数。 输出电容器用于处理电路的纹波电流和电压。 需要控制电容器组的过热，以便在电路运行期间不超过最大允许功耗。 需要确定通过输出电容的纹波电流不超过允许值。

表 2 按外壳尺寸总结了 +25°C 和 f= 时各种封装的最大允许额定功率。 对于温升高于 +25°C 的应用，建议进一步降额。 请咨询电容器制造商，了解适用钽封装的功率降额建议。

最大允许交流纹波电流（Irms）可使用公式 P=Irms2 x ESR 计算，其中 P 代表与钽电容器外壳尺寸对应的最大允许功率，ESR 可根据电容器的工作频率计算。

对于钽电容器，还必须遵循适当的电压降额规范，并且不得超过制造商建议的额定值。 输出电容的工作电压应根据电压电路状况来确定。 可以根据公式=Vpeak+Vdc计算，即纹波电压加上直流电压噪声。 允许的纹波电压计算公式为E=IxZ，其中Z代表电容器电阻。 总体而言，较低的 ESR 有助于降低输出纹波噪声。

在电路中加入一个大容量的电容，还可以起到空载情况下（电池尚未工作，采用线电流供电时）上电的作用。 当电源使用线电流时，选择大容量钽电容器的额定值时应遵循降额规范。

选择电池供电低压差稳压器 (LDO) 的输出电容器

便携式设备中的线性稳压器或低压差稳压器 (LDO) 由电池供电。 电容器的尺寸非常重要，因为 LDO 通常采用小型 SOT 封装。 当负载变化时，常用LDO来保证提供高精度的电压。 在 50mA 负载电流下，典型电压降为 90mV。 例如，如果低压差稳压器的制造商指定使用电容器的目的是降低噪声，那么在选择电容器类型时应考虑以下因素：

医疗器械的性能要求

规定的ESR安全工作范围

电容器尺寸和成本

额定电压

表3 各类电容器的ESR要求

为了满足表 3 所示的 ESR 要求，电容器技术有多种选择。 通过检查电路负载线的稳定性，可以选择适当的电容器技术以使线路正常运行。

低压差 (LDO) 稳压器的负载线稳定性分析可以确定各种负载条件下的最小和最大 ESR 值。

例如，如果使用 10μF 钽电容器来实现负载线瞬态稳定，则在 10kHz 下测得的 ESR 的安全工作范围为最大 10Ω，最小 10mΩ（见图 2）。 [！ - 。页 - ]

图2 稳定工作的LDO稳压器的ESR要求

在此示例中，如果 LDO 要高效运行，则需要具有低 ESR 的最小尺寸电容器。 对于此应用，有多种类型的低 ESR 电容器技术可以满足要求。 钽电容的ESR一般是由制造商在一定条件下定义的。 该应用需要 10kHz 的 ESR，以实现适当的负载线稳定性。

选择合适的电容器可以根据 10kHz 时的阻抗-频率关系来确定。 如表 2 所示，有多种适合此应用的固态钽电容器。 MLCC、钽电容、铝电解电容对应的ESR请参见表2。 虽然钽聚合物电容器的 ESR 低于使用锰阳极的标准固体钽电容器，但由于最近使用二氧化锰 (MnO2) 阳极的钽电容器结构的改进，一些标准固体钽电容器产品的 ESR 低于 50mΩ。 ，可用于 LDO 应用。

图3 0603钽电容的阻抗-频率曲线

图 4 显示了 TM8-298D 系列 M 或 0603 外壳尺寸电容器。 0603 钽电容在 10kHz 时的 ESR 为 1.19 Ω，如图 3 中的钽电容阻抗-频率曲线所示。该 ESR 在安全工作范围内，可实现出色的电路负载线路稳定性。 在本例中，如果使用低于10mΩ的超低ESR的MLCC电容，则需要在电路中与该电容串联一个小电阻，为ESR提供安全的工作范围。 由于空间和元件数量有限，单个 0603 钽电容器即可满足 ESR 和空间要求。

图4 钽电容器尺寸缩小

在某些情况下，电路中既需要大电容来降低电压降，又需要超低 ESR 来处理纹波。 较高效率和较低功耗之间的最佳平衡有利于较低 ESR 的电容器。

也可以使用具有更高 ESR 的其他电容器技术。 MLCC0 0805是采用400层0805尺寸的X5R介质层的电容器，规格为10μF~10V。 还有使用0603 X5R介质层的10μF~10V电容器。 10kHz 时其 ESR 为 20mΩ。 与钽电容器相比，MLCC 电容器的 ESR 非常低。 然而，对于本应用中 LDO 中使用的电容器来说，较低的 ESR 并不是优势。

电路板空间和成本也是选择该应用的电容器时需要考虑的因素。

图5 MAP钽电容封装

更先进的钽电容器封装消除了引线框架，提高了批量封装效率和电气性能。 图 6 比较了多阵列封装 (MAP) 组装技术与传统封装技术。 消除标准钽电容器封装中的引线框组件可以节省更多空间以容纳更多钽芯。 在传统的引线框架封装中，钽电容封装的主要部分是塑料封装材料或封装材料。 如图 5 所示，连接到引线框架的正极引线也占用了封装空间。 总体而言，传统引线框架封装的可用体积有效利用率仅为30%。

如图6所示，MAP工艺用于提高钽芯在封装中的贴装精度，从而减小整体封装尺寸，实现更严格的尺寸误差控制。 使用MAP工艺实现的封装还可以减少净空，为垂直方向的高密度线路提供更好的“参考线”。 例如，标准注塑引线框架钽电容器D型的最大高度为4.1mm，而采用MAP工艺生产的D型的高度为1.65mm。

图6 最新的MAP钽电容封装具有最高的体积效率[!--.page--]

采用MAP工艺后，钽电容的外壳尺寸从A、0805（现有技术）一路下降到0603或0402。钽粉的改进可以将容量为10μF~10V的0805的外壳尺寸缩小到0603或0402。 0603，如图4所示。

电容器直流漏电/绝缘电阻比较

当使用电池作为电源时，电容器直流漏电流（DCL）应被视为损耗，因为电容器会影响电池的状况和寿命。 除电池外，大容量电容器也被用作便携式设备中的补充电源，以应对电路负载的变化。

许多便携式设备应用需要低 DCL 才能实现长而高效的电池寿命。 为了应对负载变化，与电池并联的大容量输出电容器可以保持存储容量。 在某些应用中，设备的运行时间很短且间歇性，电池大部分时间处于闲置状态。 因此，该电容器需要极低的DCL，以满足便携式设备的应用要求并最大限度地延长电池寿命。

直流漏电值很小，所有电容器都有这个问题。 钽电容器的漏电流为几微安，而 MLCC 的漏电流为几皮安。 直流漏电流的测量方法是采用等效电阻电容串联电路，加上直流电压，在室温下测量电流。 电容应串联一个1000Ω的电阻来限制充电电流。

图7 钽电容的DCL曲线

用于描述 DCL 的术语和测量单位因电容技术而异。 DCL 是用于钽电容器的测量单位，而绝缘电阻 (IR) 是用于 MLCC 的测量单位。 根据电介质类型，MLCC 具有 IR 限制。 对于使用 X5R 电介质的大电容 MLCC，IR 限值为 >10,000MΩ 或 (R x C) ≥ 500ΩF，以较低者为准。 所有 MLCC 均使用符合军用产品规范 55681 的自动 IR 测试仪筛选 IR 最小值。

DCL 可以根据欧姆定律，使用电容器的 IR 和额定电压来计算。 例如，MLCC的IR限值为100MΩ-μF，相当于钽电容的标准DCL限值为0.01，即（电容x电压）= 0.01μA/μF V。

钽电容按照规定的DCL最小值进行筛选，或者不超过规定的最大值。 钽电容DCL的测试是根据军工产品规范进行的。 各种规格钽电容之间的DCL差异比较明显，因此对各个规格钽电容的限值分别进行了规定。

在便携式应用中，较长浸泡时间（soak TIme）下的DCL是电容的重要指标。 对于特定规格和钽芯设计的钽电容器，可以量化特定生产批次中的DCL分布。 如果应用需要极低的 DCL，则可以轻松地从批次中自动选择在额定电压下具有特定 DCL 并适合在便携式设备中使用的钽电容器。

图 8 是一个 47μF-10V 钽电容器。 尽管其最大 DCL 为 4.7μA，但特定驻留时间的滤波可以为应用提供超低 DCL。 以图 8 中的组件为例，可以对该批次进行 600nA 10 秒 DCL 筛选，从而将总体 DCL 从 4.7μA 降低至 600nA 限制。

图8

DCL限值应根据电池供电设备的运行时间和非运行时间确定。 例如，如果便携式设备仅运行几秒钟的短时间，然后长时间闲置，则大容量电容器应具有较低的 DCL，以确保较长的电池寿命。 此外，还应评估电路的整体静态电流和工作电流，以确定是否需要低 DCL 电容。

电池运行时间和 DCL

对于可充电二次电池来说，DCL也很重要，它可以延长充电间隔，但在整体工作电流中可以允许输出电容有一定程度的漏电流。 评估电路在各种使用条件下的电流要求并了解电容器的 DCL 可以显着延长电池寿命。

通过测量DCL或IR，可以了解电容器介质的性能和介质层的质量。 通电时，DCL 电流流过或流过电容器介电隔离层。 对于钽电容器等氧化膜制成的电容器，DCL电流的主要成分是多种电流的混合，包括流过电介质的表面漏电流和由于电介质材料极化而产生的电介质吸收（DA）电流。 ，流经介电材料的本征漏电流。 同样，使用钛酸钡基陶瓷电介质的MLCC的漏电流主要是流过电介质的漏电流，以及DA损耗和本征漏电流。

MLCC 具有良好的低 DCL 特性，但在某些情况下，钽电容器可以在更小的封装中提供相同的低 DCL。 表 5 比较了用于根据 DCL 要求正确评估和选择适当电容器的计算结果。 如表5所示，钽电容器一般根据最大DCL值来指定。 标准二氧化锰 (MnO2) 结构的钽电容器在制造商处根据 (.01xCV) 进行分级。 一些电容器制造商还会随DCL信息一起提供具体的保持时间，并根据远低于同级别最大DCL的特定DCL限值来预筛选电容器。

选择合适的低DCL电容

例如，某种类型的便携式电池供电医疗设备的工作周期较短，需要接线以每天打开电机几秒钟，然后将其关闭。 此类应用可以使用具有低 DCL 的大容量电容器。

具体用途：

用于电机驱动的 DC/DC 转换器

输入电压：1.5V

固定输出电压：3.3V

输出电流：200mA@2V

大输出电容：47μF

60 秒停留时间时的 DCL = 200nA

如果47μF大容量电容器是钽电容器，则应进行适当的电压降额。 降额应根据钽电容器制造商的降额规范进行。 具体示例见表4。 本例选择的标称电压为 10V。

表 4 钽电容器的降额规格

MLCC的额定电压可以与工作电压相同或稍高，因此额定电压6V就足够了。 对于MLCC，如果IR（见表5）和工作电压（4V）已知，则可以计算DCL。 适用于低 DCL 应用的 MLCC 有 X5R 和 X7R 电介质。 根据额定工作电压，可以根据欧姆定律使用元件的 IR 值计算 DCL。

表 5 低 DCL 电容器选择

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为了确定钽电容器的 DCL 限值，对多个生产批次中尺寸为 D 和 F 的 MAP 47μF-10V 电容器进行了批量测试，并且每个电容器在不同的停留时间（60 秒）下进行了测试。 记录 DCL 和相应的保持时间，如图 7 所示。然后使用统计分析方法确定每批的较低 DCL。 此外，采用独特的成型工艺对负极进行强化，以提高和降低电容​​器的DCL性能。 注意任何偏离标准批次的DCL曲线，最终找到DCL的下限。

图 4 显示了各种包装选项以及每种包装选项的体积要求。 的572D系列钽电容器不仅满足DCL要求，而且具有最高的体积效率，体积仅为8.39 mm3。 如果空间要求不是那么严格，该应用也可以使用 MLCC。 X5R 电介质 MLCC 的 DCL 低至 187nA。 就像选择钽电容一样，只有大容量的电容才能满足要求。 MLCC X7R介质电容器的电容温度系数优于X5R，但要形成大容量电容器，需要并联两个MLCC电容器。

在某些电路中，电容器在施加应力后保持电容的能力是一个重要的考虑因素。 对于 X5R 电介质 MLCC，选择元件的额定电压时应考虑电容电压系数 (VCC)。 如果直流施加电压（包括纹波电压）接近 MLCC 的额定电压，则 VCC 效应将导致组件损失部分电容。 电容损耗可能会影响电路运行。 另外，在选择元件时，还需要考虑温度对MLCC的IR以及电容温度系数（TCC）的影响。 制造商将提供特定电介质随温度升高的红外衰减曲线。 设计期间应评估温度影响。

改善钽电容器的DCL

钽电容器的介电层是覆盖每个钽芯表面的五氧化二钽薄膜。 它采用阳极氧化工艺，由5nm~10nm厚的N型氧化钽层和纯五氧化二钽半导体层组成。 层厚度与阳极氧化电压成正比，并决定组件的额定电压。 对于6V电池应用中使用的固体钽电容器，最终钽介电层厚度为0.04微米或40纳米。

超大容量MLCC是通过浇注厚度为2.0微米的薄陶瓷介质层制造的，这比钽电容器厚得多。 MLCC 使用堆叠工艺最终创建多层电容器。 与钽电容一样，MLCC的介质层厚度决定了额定电压，介质层的数量决定了容量。 介电常数的差异导致IR的巨大差异。

钽电容器的DCL会因正极表面的机械损伤或氧化层表面的裂纹而升高。 如图8所示，正极外表面是易损部件，会受到热、机械和电效应的影响。 表面DCL在长期运行过程中会受到湿度的影响而导致不稳定。

改进钽芯的生产工艺，更好地控制氧化层的厚度，有助于消除表面DCL问题，如图8所示。在钽芯的外表面上形成较厚的介电膜，以防止其受到机械损伤，从而大大提高钽芯的性能。提高 DCL 性能并减少 DCL。 除了改进钽电容器的阴极结构外，与聚合物阳极结构相比，钽电容器的二氧化锰阳极结构由于材料具有更好的导电性，因此具有更好的DCL性能。

图 9 显示了使用这种新技术制造的具有出色 DCL 性能的新型 MAP 0603 封装。 结合钽芯的改进，最新的 MAP 系列钽封装可以改进组装、封装和端接工艺，避免机械损坏，并提高电容器的体积效率。

提高医用级钽电容器的 DCL 可靠性

由于一些医疗设备需要高可靠性，特别是对于关键任务应用，电容器制造商提供稳健且保守的设计来满足性能要求。 通过精心的钽芯和钽粉设计，医用钽电容器的性能将高于标准商用钽电容器和采用传统技术生产的高可靠性产品。

图9

制造商将评估适合每种设计的钽粉。 随着电容器CV的增加，故障率也随之增加，因此具体设计时应选择合适粒径的钽粉。 仅针对医疗级设计，其目的是在可用外壳尺寸范围内提供更可靠的 DCL 性能。 对于商业级设计，目标是通过在最小的可用外壳尺寸中提供更高 k CV 的钽粉来最大限度地降低成本并最大限度地提高设计效益。 因此，商用钽电容的DCL一般会高于医用钽电容。

下面举例说明目前改进型医用TM8系列DCL与传统高可靠性194D系列的对比。

图 10 对 F 外壳尺寸的 194D 系列设计与 TM8 系列设计进行了比较。 194D 是一种较旧的设计，用于许多高可靠性应用。 钽芯设计采用高k CV粉末，为23kCV。 TM8是较新的医疗级设计，采用10Kvc粉末，大大提高了DCL性能。 它还采用了最新的MAP组装工艺，不会增加占用的电路板空间。

图10

高储能钽电容器在医疗设备中的应用

小型便携式或植入式心律转复除颤器 (ICD) 用于因室性快速心律失常而面临心源性猝死风险的患者。 便携式除颤器具有与ICD类似的功能，旨在为心脏提供电疗以恢复正常心律。 电疗电路使用高能充电电容器来电击心脏组织。

一些设计使用高能铝电解电容器，但需要备用电池和程序来实现修复期，以在设备的整个使用寿命内保持良好的充电效率。 与铝电解电容器相比，高能湿式钽充电电容器无需重整，具有更高的能量密度。

电容器的储能容量取决于电介质的相对介电常数和材料内的最大允许电压。 当存在电场时，电容器电介质的任何导电行为都会导致电容损耗。 并且损耗会随着电场的变化而增加，例如交流电。 电介质的分子发生一定程度的极化，电场出现后，这些分子的初始位移是相反的。 部分能量消耗在分子的位移中并在此过程中损失。 当电场改变或消失时，这种损失表现为热量。

箔铝电解电容器浸入导电电解质中。 电介质由铝箔表面的氧化膜组成。 其厚度一般为50~100纳米，决定了单位电极面积的容量。 钽电容也有一层氧化膜，但厚度要小得多，一般只有5到10纳米。 选择储能设备中使用的电容器类型时，需要考虑工作寿命、电路板空间和成本要求。 由于除颤需要非常高的能量，因此只有铝电解电容器和湿钽电容器适合。

综上所述

本文讨论便携式医疗设备的各种应用及其使用的电路。 有多种电容器可用于这些便携式应用。 为此类应用选择电容器时，首先要考虑的电气参数是电容器的 DCL 和 ESR。 由于一些医疗应用对可靠性和电池寿命要求极高，有些电容器并不适合。