可穿戴設(shè)備已成為電子產(chǎn)品的重要應(yīng)用領(lǐng)域?？纱┐髟O(shè)備使用戶能夠測(cè)量他們的健康和健康狀況，并使他們更容易在線保持聯(lián)系，而無(wú)需繼續(xù)接聽(tīng)和檢查智能手機(jī)。但可穿戴式設(shè)計(jì)給電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

大多數(shù)可穿戴設(shè)備的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是確保將能耗保持在最低水平。用戶不喜歡經(jīng)常為可穿戴設(shè)備充電，特別是如果他們需要插入電源。無(wú)線充電提供了更大的靈活性和更好的用戶接受度，但由于可以傳輸?shù)皆O(shè)備的能量的限制，可以導(dǎo)致更長(zhǎng)的充電時(shí)間。

優(yōu)化無(wú)線設(shè)備的能耗需求注意設(shè)計(jì)的每個(gè)層面，包括供電子系統(tǒng)本身的注意力。在幾乎所有情況下，可穿戴設(shè)備將采用開(kāi)關(guān)模式DC/DC轉(zhuǎn)換器，當(dāng)從電池供電時(shí)，電子電池提供穩(wěn)定的恒定電壓，當(dāng)存儲(chǔ)的電荷消耗時(shí)，電池通常會(huì)提供下降電壓。

許多DC/DC轉(zhuǎn)換器在負(fù)載側(cè)采用電感和電容的組合來(lái)平滑電壓和電流峰值。這對(duì)于便攜式和可穿戴設(shè)備的許多轉(zhuǎn)換器所支持的節(jié)能脈沖跳躍模式尤為重要。脈沖跳躍模式通常在低活動(dòng)期間使用，作為負(fù)載完全激活時(shí)使用的脈沖寬度調(diào)制（PWM）電壓調(diào)節(jié)的替代方案。

負(fù)載瞬變往往會(huì)導(dǎo)致電壓等效串聯(lián)電感（ESL）和高頻輸出電容中的阻抗加劇了尖峰。從負(fù)載階躍瞬態(tài)恢復(fù)也會(huì)導(dǎo)致電壓過(guò)沖和下沖，具體取決于負(fù)載瞬態(tài)的方向。降低電源電壓誤差的影響使用存儲(chǔ)在輸出電容器中的能量以及轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)可靠的電壓調(diào)節(jié)，在DC/DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)具有寬環(huán)路帶寬，輸出電容器中的低等效串聯(lián)電阻（ESR）和足夠的輸出電容以實(shí)現(xiàn)充分存儲(chǔ)非常重要。

在負(fù)載變化下保持高效和低噪聲輸出的能力首先取決于穩(wěn)壓器將承受多少過(guò)沖和下沖，其次取決于開(kāi)關(guān)頻率下出現(xiàn)多少紋波電壓。

峰值過(guò)沖以及下沖大約是負(fù)載階躍電流乘以環(huán)路交叉頻率處輸出電容器的阻抗。類似地，紋波電壓近似等于輸出電容的阻抗乘以峰峰值電感電流。

通過(guò)增加電感的大小可以減小峰峰值電感電流，但這可能會(huì)導(dǎo)致PCB和外殼設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題。很難制造出具有可穿戴設(shè)備通常所需的薄形狀的高價(jià)值電感器。因此，重點(diǎn)關(guān)注降低關(guān)鍵開(kāi)關(guān)頻率下輸出電容的阻抗是有意義的。盡管這種阻抗在自諧振頻率下會(huì)表現(xiàn)出與頻率相關(guān)的最小值，但在很大程度上受ESR控制。

圖1：阻抗如何變化隨著頻率的增加。

雖然理想電容器將所有能量存儲(chǔ)在電介質(zhì)中，但任何真實(shí)電容器都會(huì)表現(xiàn)出一些串聯(lián)電阻。 ESR通常是由于電介質(zhì)以及電極和終端材料的損耗。在高達(dá)千赫茲區(qū)域的低頻率下，ESR的主要貢獻(xiàn)因素是介電損耗。在更高的頻率下，由電極和終端中的金屬引起的ESR開(kāi)始占主導(dǎo)地位。這些損耗由于趨膚效應(yīng)而變得顯著，并且隨著頻率的平方根而趨于增加。

大多數(shù)制造商在特定頻率下ESR通常以毫歐表示，并且測(cè)量在不同頻率下進(jìn)行 - 因此它是重要的是要考慮電容器在接近電源中的開(kāi)關(guān)和環(huán)路交叉頻率的ESR方面的表現(xiàn)。由于頻率依賴性，電容器的ESR性能在RF電路中也很重要。射頻能力是當(dāng)今可穿戴設(shè)備的重要特征。雖然與藍(lán)牙智能和IEEE 802.15.4等協(xié)議相關(guān)的相對(duì)較低的功率水平限制了可能丟失的發(fā)射功率，但射頻部分中電容器的ESR可能是整體損耗的重要組成部分。

多層陶瓷電容器（MLCC）往往具有低ESR和ESL，但它們傳統(tǒng)上受限于電容器尺寸。傳統(tǒng)上，電解電容和鉭電容提供更大的電容值，但往往具有更高的ESR額定值。為改善鉭器件可靠性而開(kāi)發(fā)的聚合物電容器設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展已經(jīng)顯著降低了ESR。這些新技術(shù)中使用的聚合物電介質(zhì)也克服了鉭點(diǎn)火的問(wèn)題，使得更難以達(dá)到所需的安全性能和產(chǎn)品等級(jí)。

圖2：低ESR聚合物電容器的構(gòu)造

Panasonic制造的POSCAP系列聚合物電解質(zhì)電容器的ESR低至6mΩ，最小阻抗通常在100 kHz和2 MHz - 這往往適合許多高效DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率范圍。

與鋁電解電容器和鉭電容器相比，POSCAP電容器使用高導(dǎo)電性聚合物電解質(zhì)來(lái)提高ESR。 POSCAP的不同子系列在頻率依賴行為方面支持權(quán)衡。例如，TPSF系列具有低ESL特性，適用于高頻低阻抗很重要的應(yīng)用。它們表現(xiàn)出接近1 MHz的最小阻抗。與陶瓷電容器相比，POSCAP器件的電容比溫度變化更穩(wěn)定，并且在電壓下顯示非常小的偏置。

使用聚合物電容器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它不會(huì)遭受壓電效應(yīng)。許多MLCC技術(shù)使用具有壓電特性的電介質(zhì)，使其在充電變化下膨脹和收縮。如果DC/DC轉(zhuǎn)換器具有在音頻范圍內(nèi)工作的開(kāi)關(guān)頻率，則這種振蕩形狀會(huì)引起不必要的可聽(tīng)噪聲。

然而，MLCC廣泛可用，并且由于引入了高頻需要相對(duì)較小輸出電容的DC/DC轉(zhuǎn)換器可用于可穿戴設(shè)備的電源輸出級(jí)。例如，德州儀器（TI）生產(chǎn)的TPS 61291設(shè)計(jì)用于相對(duì)較小的電容器，僅需22μF負(fù)載電容，用于典型的3.3 V電源，可提供高達(dá)100 mA的電流。由于采用低功耗，15 nA靜態(tài)模式，DC/DC轉(zhuǎn)換器適用于可穿戴設(shè)備等低功耗設(shè)備。

圖3：電路圖顯示了使用TI TPS 61291的22μF電容。

TPS 61291等DC/DC轉(zhuǎn)換器可與具有X5R或X7R溫度曲線的MLCC配合使用，如就像AVX制作的那樣。該系列包括具有高達(dá)100μF電容的X5R器件。其他類型的電容器電介質(zhì)（例如Z5U）可能不適合用于電源濾波，因?yàn)樗鼈冸S溫度變化。

開(kāi)關(guān)電源和無(wú)線低功耗通信的組合可能導(dǎo)致問(wèn)題與EMI。轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生高頻EMI：高開(kāi)關(guān)速度會(huì)導(dǎo)致電壓振鈴。為了抑制噪聲并保護(hù)半導(dǎo)體元件，RC緩沖電路通常并聯(lián)連接到電源的輸入級(jí)。由于通常在這些電路中使用的MLCC針對(duì)低ESR進(jìn)行了優(yōu)化，因此通過(guò)EMI抑制，它們通常需要額外的電阻來(lái)維持足夠高的阻抗水平，以便完成有效的諧振電路。這可能導(dǎo)致電源效率的不希望的降低，有時(shí)會(huì)降低4％，這對(duì)于需要長(zhǎng)電池壽命的設(shè)備來(lái)說(shuō)是個(gè)問(wèn)題。

另一種方法是使用噪聲吸收電容，如TDK制造的YNA。 YNA型器件的設(shè)計(jì)具有更高的ESR，因此在使用時(shí)（通常在DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入級(jí)中）可以在不使用額外電阻的情況下抑制過(guò)量振鈴。

，由于MLCC的導(dǎo)體電阻導(dǎo)致的ESR隨著內(nèi)部電極中的層數(shù)而下降，這導(dǎo)致ESR隨著電容的增加而下降。 YNA的結(jié)構(gòu)允許通過(guò)組合不同的內(nèi)部電極圖案將ESR提升到其正常值以上。

雖然可穿戴設(shè)備帶來(lái)了他們對(duì)低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)的更多關(guān)注，包括低和受控 - 在DC/DC轉(zhuǎn)換器周圍的電路中使用ESR電容可以幫助最大限度地提高能效并延長(zhǎng)電池壽命。