可穿戴設備已成為電子產(chǎn)品的重要應用領域。可穿戴設備使用戶能夠測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，而無需繼續(xù)接聽和檢查智能手機。但可穿戴式設計給電子系統(tǒng)設計師帶來了挑戰(zhàn)。

大多數(shù)可穿戴設備的主要設計目標是確保將能耗保持在最低水平。用戶不喜歡經(jīng)常為可穿戴設備充電，特別是如果他們需要插入電源。無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備的能量的限制，可以導致更長的充電時間。

優(yōu)化無線設備的能耗需求注意設計的每個層面，包括供電子系統(tǒng)本身的注意力。在幾乎所有情況下，可穿戴設備將采用開關模式DC/DC轉換器，當從電池供電時，電子電池提供穩(wěn)定的恒定電壓，當存儲的電荷消耗時，電池通常會提供下降電壓。

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

負載瞬變往往會導致電壓等效串聯(lián)電感（ESL）和高頻輸出電容中的阻抗加劇了尖峰。從負載階躍瞬態(tài)恢復也會導致電壓過沖和下沖，具體取決于負載瞬態(tài)的方向。降低電源電壓誤差的影響使用存儲在輸出電容器中的能量以及轉換器的響應時間。為實現(xiàn)可靠的電壓調(diào)節(jié)，在DC/DC轉換器內(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現(xiàn)充分存儲非常重要。

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

峰值過沖以及下沖大約是負載階躍電流乘以環(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。

通過增加電感的大小可以減小峰峰值電感電流，但這可能會導致PCB和外殼設計出現(xiàn)問題。很難制造出具有可穿戴設備通常所需的薄形狀的高價值電感器。因此，重點關注降低關鍵開關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表現(xiàn)出與頻率相關的最小值，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在電介質(zhì)中，但任何真實電容器都會表現(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。在高達千赫茲區(qū)域的低頻率下，ESR的主要貢獻因素是介電損耗。在更高的頻率下，由電極和終端中的金屬引起的ESR開始占主導地位。這些損耗由于趨膚效應而變得顯著，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，并且測量在不同頻率下進行 - 因此它是重要的是要考慮電容器在接近電源中的開關和環(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。射頻能力是當今可穿戴設備的重要特征。雖然與藍牙智能和IEEE 802.15.4等協(xié)議相關的相對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發(fā)的聚合物電容器設計的最新進展已經(jīng)顯著降低了ESR。這些新技術中使用的聚合物電介質(zhì)也克服了鉭點火的問題，使得更難以達到所需的安全性能和產(chǎn)品等級。

圖2：低ESR聚合物電容器的構造

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轉換器的開關頻率范圍。

與鋁電解電容器和鉭電容器相比，POSCAP電容器使用高導電性聚合物電解質(zhì)來提高ESR。 POSCAP的不同子系列在頻率依賴行為方面支持權衡。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優(yōu)點是它不會遭受壓電效應。許多MLCC技術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轉換器具有在音頻范圍內(nèi)工作的開關頻率，則這種振蕩形狀會引起不必要的可聽噪聲。

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

圖3：電路圖顯示了使用TI TPS 61291的22μF電容。

TPS 61291等DC/DC轉換器可與具有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，因為它們隨溫度變化。

開關電源和無線低功耗通信的組合可能導致問題與EMI。轉換器可以產(chǎn)生高頻EMI：高開關速度會導致電壓振鈴。為了抑制噪聲并保護半導體元件，RC緩沖電路通常并聯(lián)連接到電源的輸入級。由于通常在這些電路中使用的MLCC針對低ESR進行了優(yōu)化，因此通過EMI抑制，它們通常需要額外的電阻來維持足夠高的阻抗水平，以便完成有效的諧振電路。這可能導致電源效率的不希望的降低，有時會降低4％，這對于需要長電池壽命的設備來說是個問題。

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

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

雖然可穿戴設備帶來了他們對低功耗設計技術的更多關注，包括低和受控 - 在DC/DC轉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電池壽命。