便携式电池供电医疗设备中钽电容的使用

作者：时间：2010-10-21 来源：网络收藏

　　借助M.A.P.工艺，钽电容的外壳尺寸一路从A下降到0805(目前的技术)到0603或者0402。钽粉的改良可以把10µF~10V容量的0805外壳尺寸减少到0603的外壳尺寸，如图 4 所示。

　　电容直流漏电/绝缘电阻比较

　　在用电池作为电源的时候，电容直流漏电流 (DCL) 应被视为损耗，因为电容会影响电池的使用状况和寿命。除了电池，大容量电容也用作便携式设备中的补充电源，以应对电路负载的变动。

　　许多便携式设备应用要求低DCL，以实现长时间、高效率的电池寿命。为应对负载变化，与电池并联一个大容量输出电容可以保持储电能力。在某些应用中，设备的运行时间是时断时续的短周期，在大多数时间里电池处于闲置状态。因此，该电容需要极低的DCL来满足便携式设备的应用需求，尽量延长电池的使用寿命。

　　直流漏电数值很小，所有电容都有这个问题。钽电容的漏电流为数微安，而MLCC的漏电流为数微微安。直流漏电流的测量方法是采用等效的电阻-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，以限制充电电流。

　　图7钽电容的 DCL 曲线

　　描述DCL的术语和测量单位随电容技术不同而不同。DCL是用于钽电容的测量单位，而绝缘电阻 (IR) 则是用于MLCC的测量单位。根据电介质类型，MLCC有一个IR限值。对采用X5R电介质的大电容MLCC，IR限值为>10,000MΩ或 (R x C) ≥ 500ΩF，以低者为准。MLCC均采用符合军用产品规范55681的自动IR测试仪进行过IR最小值筛选。

　　DCL可根据欧姆定律，用电容的IR和额定电压计算得出。举例来说，MLCC的IR限值为100MΩ-µF，相当于钽电容标准DCL限值则为0.01，即(电容x电压)=0.01µA/µF V。

　　钽电容均根据规定的DCL最小值进行过筛选，或者不超过规定的最大值。钽电容DCL的测试系根据军用产品规范55365F。各种规格的钽电容之间的DCL差异比较明显，所以每种规格的钽电容的限值都是单独规定的。

　　在便携应用中，较长保压时间(soak TIme)下的DCL是电容重要的指标。对于有具体规格和钽芯设计的钽电容，某个生产批次中的DCL分布是可以量化的。如果应用要求极低DCL，可以方便地从某个批次中自动筛选出某个额定电压下具有特定DCL符合便携式设备使用条件的钽电容。

　　图8是一种47µF-10V的钽电容，虽然其最大DCL为4.7µA，根据特定的保压时间筛选后，可为应用提供超低DCL。以图8的元件为例，该批量可以按照10秒钟DCL 600nA的标准筛选，从而把总体 DCL 从 4.7µA 降至 600nA 限值。

　　图8

　　DCL限值应根据电池供电设备的工作时间和非工作时间来决定。举例来说，如果某便携式设备的工作时间很短，只有几秒钟，而随后长期处于闲置状态，那么大容量电容应具备低DCL，以保证较长的电池使用寿命。另外，应该对电路的总体静态电流和工作电流进行评估，以确定是否需要低DCL电容。

　　电池运行时间和DCL

　　对可充电二次电池来说，DCL也很重要，这样可以延长充电间隔时间，不过总体工作电流中可以允许输出电容一定程度的漏电流存在。评估电路在各种使用状况下的电流要求，了解电容的DCL，可以显著延长电池使用寿命。

　　通过测量DCL或者IR可以了解电容电介质的性能以及电介质层的质量。DCL电流在加电的情况下，会流经或者跨越电容电介质隔离层。对钽电容这样采用氧化膜制造的电容来说，DCL电流的主体构成部分是多种电流混合而成，有流经电介质的表面漏电流、因电介质材料极化而出现的电介质吸收 (DA) 电流、流经电介质材料的原生漏电流。类似的，采用基于钛酸钡的陶瓷电介质的MLCC的漏电流主要是流经电介质的漏电流，以及DA损耗和原生漏电流。

　　MLCC具有良好的低DCL特性，但在某些情况下，钽电容能够以更小的体积提供同样低的DCL。表5 比较说明了根据DCL要求正确评估和选择合适的电容的计算方法。如表5所示，钽电容一般按照DCL最大值来确定规格。标准二氧化锰 (MnO2)构造的钽电容在生产厂家处是按照 (.01xCV) 进行分级的。某些电容生产厂家还会随DCL信息提供具体的保压时间，并且根据比同级别的DCL最大值低得多的具体DCL限值进行电容器的预筛选。

　　选择适用的低DCL电容

　　举例来说，某种短工作占空比的便携式电池供电医疗设备需要线路每天启动电机几秒钟，然后关闭。这样的应用可以使用低DCL的大容量电容。

　　具体使用：

　　DC/DC转换器，用于电机驱动

　　输入电压：1.5V

　　固定输出电压：3.3V

　　输出电流：200mA@2V

　　大容量输出电容：47µF

　　保压时间60秒时的DCL = 200nA

　　如果该47µF大容量电容是钽电容，则应进行适当的电压降额。降额应根据钽电容生产厂家的降额规范，具体示例见表4。本示例选择了10V的额定电压。

　　表4 钽电容的降额规范