为电池供电的低压降稳压器(LDO)如何选择输出电容

便携式电池供电医疗设备的种类繁多，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。精心选择如电容" target="_blank">钽电容这样的无源元件，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。便携式电池供电医疗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。对医疗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。

电容器由稀有金属坩埚制成，将坩埚研磨成细粉末，并与其他介质一起烧结。由于金属钽的固有特性，钽电容器具有稳定性好、不因为环境变化、电容大等特点。

在某些方面，陶瓷电容器具有一些无法比较的特性，因此许多陶瓷不适合使用，电容器广泛用于电容器上。

随着钽电容器在市场上的使用越来越多，型号和供应商的增加，价格的下降，今天许多行业都使用钽电容器代替铝电解电容器。

当然，钽电容器也有自己的缺陷，比如耐压高，这极大地限制了钽电容器的使用，以音频电路为例，音频电路通常包括滤波、耦合、旁路、分频等电容器，如何在电路中更有效地使用电容器对音频质量的提高有较大影响。音频电路中耦合电容的最大部分是使用的钽电容。

钽电容的原理是使得钽极在空气中容易氧化，人们用它的氧化膜作为介质，因为钽极容易氧化，所以钽电容具有自动“愈合伤口”的修复作用，所以它经久耐用，可靠性高。由于氧化膜很薄，钽电容两板之间的距离非常近，因此没有感抗，非常灵敏，因此充放电速度快。

鉴于医疗设备对高可靠性的要求，本文就商用

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：降压充电器、离线充电器或者线性稳压器/充电器。最常用的类型是降压充电器。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。

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

便携式医疗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。医疗设备常用的一次性电池类型有碱性电池和锂电池。

二次电池有锂离子 (Li-ion) 电池、镍镉电池 (NiCad)、镍氢(NiMH) 电池和铅酸电池。其中锂离子电池最常用，这是因为锂离子电池的体积能量密度和质量能量密度最大，放电率极低，这意味着闲置时有良好的荷电保持能力。

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) 是重点考虑的参数。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，不会超过最大允许功耗。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˚C和f=100kHz条件下各种封装(按外壳尺寸划分)的最大允许额定功率。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计算出最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最大允许功率，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：

医疗设备的性能要求

规定的ESR安全工作范围

电容的尺寸及成本

额定电压

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最低和最高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的安全工作范围为最大10Ω，最低10mΩ(见图2)。

在本例中，如果LDO要高效率地工作，则需要低ESR的最小尺寸的电容器。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。

钽电容ESR比较小，如果输入电压比较高，上电瞬间流过电容本身的瞬态电流就比较大，所以容易放炮，钽电容不适合放在电源输入端或者电源附近，一般放在芯片周围用于滤波和退耦。

输入端用钽电容做电源滤波不太安全，接钽电容易被炸

问：在dcdc电源模块输入、输出端接钽电容是否有影响?

解答：钽电容比较容易击穿而呈短路特性，抗浪涌能力差，很可能由于一个大的瞬间电流导致电容烧毁而形成短路，或是开机瞬间产生一个很高的浪涌电压，造成钽电容过压击穿，模块在应用时，输入端最好不要接钽电容。建议输入滤波电路用陶瓷电容或是电解电容。模块的输出电压很稳定，在输出端接钽电容必须确保耐压值为输出电压的2倍以上

钽电容是容易炸，容值越大，电压越高，越容易烧。钽电容贵暂且不说，放在板子上就是颗定时炸弹啊。我用钽电容都是在3.3V(含3.3V)以下的。只要不是体积有限制，用电解电容+贴片陶瓷电容效果不差的。

电解电容容值取大一些对纹波会更好一些吗? 容值越大，应该ESR越小。

电容大对ESR不好，但是可以用4.7uF/0.1uF的陶瓷电容并联减小ESR。 电容大的好处是，电容大了储能多，负载电流突然增大后，电容能提供更多的电荷。

用耐压值高的钽电容会好一点。主要是通过纹波电流能力比较小。如果不差钱的话，果断固态聚合物电容啊

铝电解电容，一般是容值越大，ESL越大。