使用ESR电容提高可穿戴设备的能效与电池寿命

可穿戴设备已成为电子产品的重要应用领域。可穿戴设备使用户能够测量他们的健康和健康状况，并使他们更容易在线保持联系，而无需继续接听和检查智能手机。但可穿戴式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将能耗保持在最低水平。用户不喜欢经常为可穿戴设备充电，特别是如果他们需要插入电源。无线充电提供了更大的灵活性和更好的用户接受度，但由于可以传输到设备的能量的限制，可以导致更长的充电时间。

优化无线设备的能耗需求注意设计的每个层面，包括供电子系统本身的注意力。在几乎所有情况下，可穿戴设备将采用开关模式DC/DC转换器，当从电池供电时，电子电池提供稳定的恒定电压，当存储的电荷消耗时，电池通常会提供下降电压。

许多DC/DC转换器在负载侧采用电感和电容的组合来平滑电压和电流峰值。这对于便携式和可穿戴设备的许多转换器所支持的节能脉冲跳跃模式尤为重要。脉冲跳跃模式通常在低活动期间使用，作为负载完全激活时使用的脉冲宽度调制（PWM）电压调节的替代方案。

负载瞬变往往会导致电压等效串联电感（ESL）和高频输出电容中的阻抗加剧了尖峰。从负载阶跃瞬态恢复也会导致电压过冲和下冲，具体取决于负载瞬态的方向。降低电源电压误差的影响使用存储在输出电容器中的能量以及转换器的响应时间。为实现可靠的电压调节，在DC/DC转换器内具有宽环路带宽，输出电容器中的低等效串联电阻（ESR）和足够的输出电容以实现充分存储非常重要。

在负载变化下保持高效和低噪声输出的能力首先取决于稳压器将承受多少过冲和下冲，其次取决于开关频率下出现多少纹波电压。

峰值过冲以及下冲大约是负载阶跃电流乘以环路交叉频率处输出电容器的阻抗。类似地，纹波电压近似等于输出电容的阻抗乘以峰峰值电感电流。

通过增加电感的大小可以减小峰峰值电感电流，但这可能会导致PCB和外壳设计出现问题。很难制造出具有可穿戴设备通常所需的薄形状的高价值电感器。因此，重点关注降低关键开关频率下输出电容的阻抗是有意义的。尽管这种阻抗在自谐振频率下会表现出与频率相关的最小值，但在很大程度上受ESR控制。

图1：阻抗如何变化随着频率的增加。

虽然理想电容器将所有能量存储在电介质中，但任何真实电容器都会表现出一些串联电阻。 ESR通常是由于电介质以及电极和终端材料的损耗。在高达千赫兹区域的低频率下，ESR的主要贡献因素是介电损耗。在更高的频率下，由电极和终端中的金属引起的ESR开始占主导地位。这些损耗由于趋肤效应而变得显着，并且随着频率的平方根而趋于增加。

大多数制造商在特定频率下ESR通常以毫欧表示，并且测量在不同频率下进行 - 因此它是重要的是要考虑电容器在接近电源中的开关和环路交叉频率的ESR方面的表现。由于频率依赖性，电容器的ESR性能在RF电路中也很重要。射频能力是当今可穿戴设备的重要特征。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能丢失的发射功率，但射频部分中电容器的ESR可能是整体损耗的重要组成部分。

多层陶瓷电容器（MLCC）往往具有低ESR和ESL，但它们传统上受限于电容器尺寸。传统上，电解电容和钽电容提供更大的电容值，但往往具有更高的ESR额定值。为改善钽器件可靠性而开发的聚合物电容器设计的最新进展已经显着降低了ESR。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，使得更难以达到所需的安全性能和产品等级。

图2：低ESR聚合物电容器的构造

Panasonic制造的POSCAP系列聚合物电解质电容器的ESR低至6mΩ，最小阻抗通常在100 kHz和2 MHz - 这往往适合许多高效DC/DC转换器的开关频率范围。

与铝电解电容器和钽电容器相比，POSCAP电容器使用高导电性聚合物电解质来提高ESR。 POSCAP的不同子系列在频率依赖行为方面支持权衡。例如，TPSF系列具有低ESL特性，适用于高频低阻抗很重要的应用。它们表现出接近1 MHz的最小阻抗。与陶瓷电容器相比，POSCAP器件的电容比温度变化更稳定，并且在电压下显示非常小的偏置。

使用聚合物电容器的另一个优点是它不会遭受压电效应。许多MLCC技术使用具有压电特性的电介质，使其在充电变化下膨胀和收缩。如果DC/DC转换器具有在音频范围内工作的开关频率，则这种振荡形状会引起不必要的可听噪声。

然而，MLCC广泛可用，并且由于引入了高频需要相对较小输出电容的DC/DC转换器可用于可穿戴设备的电源输出级。例如，德州仪器（TI）生产的TPS 61291设计用于相对较小的电容器，仅需22μF负载电容，用于典型的3.3 V电源，可提供高达100 mA的电流。由于采用低功耗，15 nA静态模式，DC/DC转换器适用于可穿戴设备等低功耗设备。

图3：电路图显示了使用TI TPS 61291的22μF电容。

TPS 61291等DC/DC转换器可与具有X5R或X7R温度曲线的MLCC配合使用，如就像AVX制作的那样。该系列包括具有高达100μF电容的X5R器件。其他类型的电容器电介质（例如Z5U）可能不适合用于电源滤波，因为它们随温度变化。

开关电源和无线低功耗通信的组合可能导致问题与EMI。转换器可以产生高频EMI：高开关速度会导致电压振铃。为了抑制噪声并保护半导体元件，RC缓冲电路通常并联连接到电源的输入级。由于通常在这些电路中使用的MLCC针对低ESR进行了优化，因此通过EMI抑制，它们通常需要额外的电阻来维持足够高的阻抗水平，以便完成有效的谐振电路。这可能导致电源效率的不希望的降低，有时会降低4％，这对于需要长电池寿命的设备来说是个问题。

另一种方法是使用噪声吸收电容，如TDK制造的YNA。 YNA型器件的设计具有更高的ESR，因此在使用时（通常在DC/DC转换器的输入级中）可以在不使用额外电阻的情况下抑制过量振铃。

，由于MLCC的导体电阻导致的ESR随着内部电极中的层数而下降，这导致ESR随着电容的增加而下降。 YNA的结构允许通过组合不同的内部电极图案将ESR提升到其正常值以上。

虽然可穿戴设备带来了他们对低功耗设计技术的更多关注，包括低和受控 - 在DC/DC转换器周围的电路中使用ESR电容可以帮助最大限度地提高能效并延长电池寿命。