使用低esr电容器提高可穿戴设备的能源效率

　　可穿戴设备已成为电子产品的重要应用领域。可穿戴设备为用户提供了测量他们健康和健康状况的能力，并使他们更容易在网上保持联系，而不必不停地查看和检查智能手机。但可穿戴设计给电子系统设计师带来了挑战。

　　大多数可穿戴设备的主要设计目标是确保能耗保持在最低限度。用户不喜欢频繁地给可穿戴设备充电，尤其是当需要插入电源的时候。无线充电提供了更大的灵活性和更好的用户接受度，但也会导致充电时间的延长，因为它限制了可以传输到设备上的能量。

　　优化无线设备的能耗要求在设计的各个层面都需要关注，包括电力传输子系统本身。在几乎所有的情况下，一款可穿戴设备都将采用开关式DC/DC转换器，在电池充电时，为电子设备提供一个稳定的、恒定的电压，当存储电荷消失时，它通常会提供电压下降的电压。

　　许多DC/DC转换器在负载端采用电感和电容的组合，以消除电压和电流峰值。这对于许多可移植和可穿戴设备支持的节能脉冲跳闸模式来说尤其重要。脉冲跳跃模式通常是在低活动期间作为脉冲宽度调制(PWM)电压调节的替代，当负载完全**时使用。

　　负载瞬变往往导致电压尖峰，在高频率的输出电容器的等效串联电感(ESL)和阻抗加剧。根据负载瞬态的方向，从负载级暂态过程中恢复，也会导致电压过射和欠射。减少供应电压误差的影响使用存储在输出电容中的能量以及转换器的响应时间。对于可靠的电压调节，重要的是在DC/DC变换器中有一个宽的环路带宽，在输出电容中有低等效串联电阻(ESR)，足够的输出电容来储存足够的容量。

　　在负载变化下保持高效率和低噪声输出的能力首先取决于调整器将承受多大的超射和欠射，其次，在开关频率上产生多少波纹电压。

　　峰值超调，以及下射，是近似的负载级电流乘以输出电容在环路交叉频率的阻抗。类似地，波纹电压近似等于输出电容的阻抗乘以峰到峰的电感电流。

　　通过增加电感器的尺寸可以减小峰对峰的感应电流，但这可能会导致PCB和外壳设计中的问题。要制造高值电感器是很困难的，因为它的形状通常是可穿戴的。因此，在关键开关频率上集中降低输出电容器的阻抗是有意义的。这种阻抗，虽然在自共振频率下会显示一个频率相关的最小值，但在很大程度上是由ESR控制的。

　　阻抗如何随着频率的增加而变化。

　　图1:阻抗如何随着频率的增加而变化。

　　虽然理想的电容器将其所有的能量储存在介质中，但任何真实的电容器都会表现出一些串联电阻。ESR通常是由于介电和电极和终止材料中的损耗。在低频率到千赫兹区域，ESR的主要贡献者是介电损耗。在较高的频率下，电极和末端的金属所引起的ESR开始占主导地位。这些损失由于皮肤的影响而变得重要，而且往往随着频率的平方根而增加。

　　ESR通常是由大多数制造商在特定频率上以毫欧姆表示的，并且测量是在不同的频率上进行的，因此，考虑到电容器在电源供应中与开关和环交叉频率相近的ESR的性能是非常重要的。由于频率依赖性，电容器的ESR性能在射频电路中也很重要。射频能力是当今可穿戴设备的一个重要特征。虽然与蓝牙智能和IEEE 802.15.4等协议相关的相对较低的功率水平限制了可丢失的传输功率，但RF部分的电容器的ESR可以占总损失的一个重要组成部分。

　　多层陶瓷电容器(MLCCs)往往有低ESR和ESL，但传统上它们在电容器尺寸上是有限的。传统上，电解和钽电容提供更大的电容值，但往往具有更高的ESR等级。近年来，为提高钽器件的可靠性而开发的聚合物电容器设计的最新进展大大降低了ESR。在这些新技术中使用的聚合物电介质也克服了钽点火的问题，使其更难达到预期的安全性能和产品的评级。

　　一种低esr聚合物电容器的结构。

　　图2:低esr聚合物电容器的结构。

　　POSCAP家族的聚合物电解质电容器由松下提供的ESR,仅剩下6 mΩ最低阻抗通常是遇到100 kHz和2 MHz -这通常适合许多高效的开关频率范围DC / DC转换器。

　　与铝电解和钽电容相比，POSCAP电容器使用一种高导电聚合物电解质来提高ESR。POSCAP有不同的子家族支持在频率依赖行为方面进行权衡。例如，TPSF系列具有一个低esl特性，适合高频率低阻抗的应用。它们显示最小阻抗接近1兆赫兹。与陶瓷电容器相比，POSCAP器件的电容在温度变化时更稳定，在电压下的偏置非常小。

　　使用聚合物基电容器的另一个好处是它不会受到压电效应的影响。许多MLCC技术使用具有压电特性的电介质，导致它们在电荷变化的情况下膨胀和收缩。如果DC/DC变换器的开关频率在音频范围内运行，这种形状的振荡会造成不需要的声音噪声。

　　然而，MLCCs是广泛使用的，由于引入了需要相对小的输出电容的高频DC/DC转换器，可用于可穿戴设备电源的输出阶段。例如,由德州仪器61291 TPS设计与相对较小的电容器,可用的要求只是22µF负载电容对于一个典型的3.3 V供应提供高达100毫安的电流。DC/DC转换器适合低功耗设备，比如可穿戴设备，这要感谢低功耗，15纳静止模式。

　　线路图显示使用22µF电容器与TI的TPS 61291。

　　图3:线路图显示使用22µF电容器TI TPS 61291。

　　像TPS 61291这样的DC/DC转换器将与MLCCs一起工作，它展示了X5R或X7R的温度剖面，如AVX所做的。家庭包括X5R设备100µF电容。其他类型的电容电介质，如Z5U可能不适合电源滤波，因为它们的行为随温度变化。

　　开关电源和无线低功率通信的结合可能导致EMI的问题。变流器能产生高频率的电磁干扰:高开关速度导致电压响。为了抑制噪声和保护半导体元件，RC阻尼电路通常与电源输入阶段并联。由于在这些电路中通常使用的MLCCs是针对低ESR进行优化的，由于EMI抑制，它们通常需要一个额外的电阻来维持足够高的阻抗水平以完成一个有效的谐振电路。这可能会导致电力供应效率下降，有时高达4%，这对需要长时间使用电池的设备来说是有问题的。

　　另一种方法是使用由TDK制造的噪声吸收器，如YNA。YNA型器件的设计是故意提高ESR，所以在使用时，通常在DC/DC转换器的输入阶段，可以不使用额外的电阻来抑制过量的铃声。

　　一般情况下，由于mlcc的导体电阻，ESR会随着内部电极层数的增加而降低，从而导致ESR随电容的增加而下降。通过结合不同的内部电极模式，YNA的体系结构使得ESR可以通过其正常的值来提高。