钽电封装的功率降额建议

便携式电池供电***设备的种类繁多，而能够可靠地为这些设备供电的充电器控制电路也有多种选择。如无源元件钽电容（如贴片钽电容和片状电容），可以提升便携式设备内充电器控制和储能系统的整体性能。便携式电池供电***设备的供电既可以使用一次性电池，也可以使用用电池充电器充电的后备可充电电池。对***设备便携性和易用性的需求已经催生了充电控制电路的多项改良。充电器和电池系统已从由许多组件组成的电路，发展为基于集成微处理器的系统，不仅使用的无源元件少，而且布板空间也小。 鉴于***设备对高可靠性的要求，本文就商用钽电容和***钽电容的设计取舍进行了举例，并介绍了有助于改善性能的一些新发展。本文还***介绍了电容技术的一般性选择标准和可以在便携式***设备中使用的封装技术的进展情况。在便携式***设备中***常用的大容量电容类型有多层陶瓷电容（MLCC）、铝电解电容和固体钽电容。表1就每种电容技术的某些一般特性和可能的缺点进行了介绍。 表1 便携式***设备使用的大容量电容的类型 电池充电器基础知识 对使用可充电二次电池的便携式设备来说，可以使用多种类型的充电器：***充电器、离线充电器或者线性稳压器/充电器。***常用的类型是***充电器。这种充电器可以把电池源电压转换为较低电压并予以稳压。转换器可通过外部交流/直流适配器或者内部适配器电路供电。线性稳压器结构紧凑，非常适用于低容量电池充电器应用。单芯片集成解决方案既可为便携式设备供电，同时还可单独对电池进行充电。 图1是小型直流/直流开关稳压器的例子。它可以为电池充电器提供同步脉冲开关。该脉冲电池充电系统散热小，采用TSSOP封装，高度仅1.2毫米。该器件特性丰富，其中包括可在关断时将电池（Vbat）和外部电源隔离开来。 充电器中使用的电容有多种类型。输入去耦电容用于旁路噪声。一般将0.1μF MLCC电容布置在Vcc引脚附近，用来滤除高频噪声。 图1 使用威世 Siliconix Si9731实现的锂离子或镍镉/镍氢微处理器电池充电器 输出电容类型的选择应取决于合适的ESR，以符合稳定负载线路范围，同时应进行下列项目的评估： 1. 能够降低功耗 2. 能够降低纹波电压 3. 能够满足系统负载线路的要求。 转换器负责提供负载电流和电压。随着负载的变化，电流的增加，电压会下降。稳压器可以保持恒定电压，但对负载电流的变化不能迅速做出响应，所以使用大容量电容来应对这样的变化，防止电压下降。如果转换器输出的电流要通过电感，它就无法瞬时响应，这时就需要在负载两端跨接一个并联电容组，来上拉电压。有时会混合使用MLCC和钽电容，以降低总体大容量电容的ESR.由于MLCC的阻抗较低，会先充电，然后才是大容量钽电容。 电源及输出电容的要求 便携式***设备使用的电池或为一次性电池，或为二次电池。一次性电池一般只使用一次。在电路工作过程中，活性化学物质被消耗殆尽。一旦放电完毕，电路将停止工作，必须更换新的电池。二次电池可以在放电完毕后充电，因为产生电能的化学反应可以逆转，从而实现对电池系统充电。电源、电池类型的选择视应用而定。***设备常用的一次性电池类型有碱性电池和锂电池。 二次电池有锂电池、镍镉电池 （NiCad）、镍氢（NiMH） 电池和铅酸电池。其中锂电池***常用，这是因为锂电池的体积能量密度和质量能量密度***大，放电率极低，这意味着闲置时有良好的荷电保持能力。 表2 钽电容的功耗及容量范围 便携式设备电路需要输出电容，而输出电容通常由一次性或者二次电池供电，可以在负载瞬变过程中减轻电压过冲或者下冲。要有效地滤除噪声，电容的等效串联电阻 （ESR） 是***考虑的参数。输出电容用来处理电路的纹波电流和电压。需要对电容组的过热予以控制，这样在电路工作中，不会超过***大允许功耗。需要确定的是，通过输出电容的纹波电流不超出允许值。 表2概述了在+25℃和f=100kHz条件下各种封装（按外壳尺寸划分）的***大允许额定功率。对温升在+25℃以上的应用，建议应进一步进行降额。请参考电容生产厂家关于针对可适用的钽电封装的功率降额建议。 可使用公式P=Irms2 x ESR计算出***大允许交流纹波电流 （Irms），其中P表示钽电容外壳尺寸对应的***大允许功率，ESR则可根据电容的工作频率计算得出。 对钽电容，还需要遵守合适的电压降额规范，不可超出生产厂家建议的额定值。输出电容的工作电压应由电压电路状态决定。其可根据公式Vrated=Vpeak+Vdc计算得出，即纹波电压加上直流电压噪声。允许的纹波电压的计算方法为E=IxZ，其中Z表示电容器电阻。总体来说，较低的ESR可以帮助降低输出纹波噪声。 在电路中加入大容量电容还能在无负载条件下（此时电池尚未工作，使用线路电流供电）起到上电作用。当使用线路电流供电时，在选择大容量钽电容的额定值的时候，应遵从降额规范。 为电池供电的低压降稳压器（LDO）选择输出电容 便携式设备中的线性电压稳压器或低压降稳压器（LDO）均采用电池供电。电容的大小非常重要，因为LDO一般采用小型SOT封装。在负载变化时，常用 LDO来确保提供高精度电压。在50mA负载电流下，出现90mV压降非常典型。举例来说，如果低压降稳压器的生产厂家规定使用电容的目的是降低噪声，那么在选择电容类型的时候应考虑： ●***设备的性能要求 ● 规定的ESR安全工作范围 ● 电容的尺寸及成本 ● 额定电压 表3 各类型电容的ESR要求 要满足如表3所示的ESR要求，在电容技术方面有多项选择。通过检查电路负载线的稳定性，可以为线路的正常工作选择合适的电容技术。 对低压降 （LDO） 稳压器进行负载线稳定性分析可以得出各种负载情况下的***低和***高ESR 值。 举例来说，如果使用10μF的钽电容用于负载线瞬态稳定，10kHz下测得的ESR的安全工作范围为***大10Ω，***低10mΩ（见图2）。 图2 稳定运行的LDO稳压器对ESR的要求 在本例中，如果LDO要***率地工作，则需要低ESR的***小尺寸的电容器。对该应用来说，符合要求的低ESR电容技术种类比较多。钽电容的ESR一般情况下都是生产厂家在100kHz条件下定义的。本应用需要10kHz下的ESR，以便实现合适负载线稳定性。 选择合适的电容可以通过10kHz时的阻抗-频率关系来确定。如表2所示，有几种固态钽电容适用于该应用。MLCC、钽电容、铝电解电容的对应ESR请参见表2.虽然与采用锰负极的标准固态钽电容相比，钽聚合物电容ESR更低，但由于近期采用二氧化锰（MnO2） 负极对钽电容结构的改进，部分标准固态钽电容产品的ESR 低于 50mΩ，完全可以用于LDO应用。 图3 0603钽电容的阻抗-频率曲线 图4显示了威世TM8 -298D 系列M 或0603外壳尺寸的电容器。0603钽电容在10kHz时的ESR为1.19 Ω，如图3的钽电容阻抗-频率曲线所示。该ESR正处于安全工作范围内，可实现出色的电路负载线稳定性。在本例中，如果采用具有10 mΩ以下超低ESR的MLCC电容，在电路中就需要给电容串联一个小电阻，以便为ESR提供安全工作范围。由于空间及组件数量有限，采用单个0603钽电容就可以同时满足ESR和空间要求。