MLCCs in der Smartwatch-Konstruktion: Gewährleistung von Stromversorgungsintegrität und Signalqualität

I. Projekthintergrund: Herausforderungen bei Smartwatch-Stromversorgungssystemen

Smartwatches sind hochintegrierte tragbare Geräte und müssen komplexe Funktionen – wie Bluetooth-Konnektivität, Touchscreens, Herzfrequenzüberwachung und GPS-Tracking – in einem bemerkenswert kompakten Formfaktor bieten. Zu den größten technischen Herausforderungen zählen die Aufrechterhaltung der Stromversorgungsstabilität und die Wahrung der HF-Signalintegrität aller Subsysteme.

II. Die multifunktionale Rolle von MLCCs in Smartwatches

MLCCs dienen als vielseitige Komponenten auf Smartwatch-Leiterplatten:

• Als Netzfilter unterdrücken sie Rauschen und vorübergehende Spannungsschwankungen.
• In HF-Modulen sorgen sie für eine Impedanzanpassung zur sauberen Signalübertragung.
• In PMIC-Ausgangsstufen bieten sie eine Entkopplung, um Überschwingen und Übersprechen zu verringern.

Dank ihrer kompakten Abmessungen und hohen Zuverlässigkeit sind MLCCs die am häufigsten verwendeten passiven Komponenten in Smartwatches. Eine einzelne Smartwatch kann über 250 MLCCs enthalten, überwiegend in den Größen 0402, 0201 oder sogar der ultrakleinen Größe 01005.

III. Fallanalyse: Verwendung von MLCCs zum Aufbau einer stabilen Stromversorgungsarchitektur

Bei einem Projekt zur Optimierung der Stromversorgungsarchitektur einer beliebten Smartwatch-Marke in Europa litt das ursprüngliche Design unter Rauschspitzen am Ausgang des DC/DC-Wandlers, was zu zeitweiser Instabilität der BLE-Kommunikation führte. Das Entwicklungsteam verfolgte die folgende MLCC-Optimierungsstrategie:

• Ein Entkopplungsnetzwerk mit drei Kondensatoren (1 μF, 100 nF, 10 nF) unter Verwendung von X5R-MLCCs wurde hinzugefügt, um ein breites Frequenzband abzudecken.
• Einführung eines 1μF MLCC mit C0G-Dielektrikum in den BLE-Strompfad zur Verbesserung der Hochfrequenzantwort;
• Neu gestaltetes PCB-Layout, um MLCCs näher an den PMIC- und BLE-Versorgungspins zu platzieren und so die parasitäre Induktivität zu reduzieren.

Durch diese Optimierung konnte die BLE-Kommunikationsfehlerrate von 8 % auf unter 0,5 % reduziert und der Stromverbrauch im Standby-Modus deutlich stabilisiert werden.

IV. Verbesserung der Signalintegrität: MLCCs in HF-Modulen

Bei 2,4-GHz-HF-Pfaden ist die MLCC-Auswahl von entscheidender Bedeutung. Ungeeignete Dielektrikumtypen oder Kapazitätswerte können zu Signalverzerrungen, hohem VSWR oder Impedanzfehlanpassungen führen.

Erfolgreiche Designs befolgen diese Regeln:

• Verwenden Sie C0G-MLCCs für Frequenzen >1 GHz, um die thermische Stabilität sicherzustellen.
• Wenden Sie die S-Parameter-Simulation an, um die passenden Werte fein abzustimmen (z. B. 0,8 pF, 1,2 pF).
• Wählen Sie Pakete, die nicht größer als 0402 sind, um parasitäre Effekte zu minimieren.

V. Zukünftige Trends: Ultraminiatur- und eingebettete MLCCs

Da die Formfaktoren von Smartwatches auf unter 10 mm Dicke schrumpfen, entwickeln sich die MLCC-Anbieter in mehrere Richtungen:

• Hochleistungs-MLCCs in 01005- und sogar 008004-Gehäusen
• Gestapelte MLCCs für hohe Kapazität auf engstem Raum
• Eingebettete MLCC-Technologie, Integration von Kondensatoren in Module oder Chippakete

Diese Innovationen werden die Designflexibilität und Systemintegration in Wearables der nächsten Generation erheblich verbessern.

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