Применение многослойных керамических конденсаторов в конструкции умных часов: обеспечение целостности питания и качества сигналов

I. Предыстория проекта: проблемы систем питания умных часов

Умные часы, будучи высокоинтегрированными носимыми устройствами, должны обеспечивать сложную функциональность, такую как Bluetooth-подключение, сенсорные дисплеи, мониторинг сердечного ритма и GPS-отслеживание, в исключительно компактном форм-факторе. Среди наиболее важных инженерных задач — обеспечение стабильности питания и сохранение целостности радиочастотного сигнала между подсистемами.

II. Многофункциональная роль MLCC в умных часах

MLCC-кристаллы служат универсальными компонентами на печатных платах умных часов:

• В качестве фильтров электропитания они подавляют шумы и переходные колебания напряжения;
• В радиочастотных модулях они обеспечивают согласование импеданса для чистой передачи сигнала;
• На выходных каскадах PMIC они обеспечивают развязку для уменьшения выбросов и перекрестных помех.

Благодаря компактности и высокой надежности многослойные керамические кристаллы (MLCC) являются наиболее распространёнными пассивными компонентами в умных часах. В одних умных часах может быть более 250 MLCC, преимущественно в типоразмерах 0402, 0201 и даже ультраминиатюрных 01005.

III. Анализ случая: использование MLCC для создания стабильной архитектуры электропитания

В проекте по оптимизации архитектуры питания популярного бренда умных часов в Европе первоначальная конструкция страдала от всплесков шума на выходе DC/DC-преобразователя, что приводило к периодической нестабильности связи BLE. Команда инженеров приняла следующую стратегию оптимизации MLCC:

• Добавлена развязывающая сеть из трех конденсаторов (1 мкФ, 100 нФ, 10 нФ) с использованием MLCC X5R для охвата широкого диапазона частот;
• Внедрили MLCC емкостью 1 мкФ с диэлектриком C0G в тракт питания BLE для улучшения высокочастотного отклика;
• Измененная компоновка печатной платы позволяет разместить MLCC-микросхемы ближе к контактам питания PMIC и BLE, что снижает паразитную индуктивность.

Благодаря этой оптимизации удалось снизить частоту ошибок связи BLE с 8% до менее 0,5% и значительно стабилизировать энергопотребление в режиме ожидания.

IV. Повышение целостности сигнала: многослойные керамические конденсаторы (MLCC) в радиочастотных модулях

В радиочастотных трактах 2,4 ГГц выбор многослойного кольцевого конденсатора (MLCC) имеет решающее значение. Неподходящие типы диэлектриков или значения ёмкости могут привести к искажению сигнала, высокому КСВ или рассогласованию импеданса.

Успешное следование этим правилам:

• Используйте C0G MLCC для частот >1 ГГц для обеспечения температурной стабильности;
• Применить моделирование S-параметров для точной настройки соответствующих значений (например, 0,8 пФ, 1,2 пФ);
• Выбирайте пакеты размером не более 0402, чтобы минимизировать паразитные эффекты.

V. Будущие тенденции: сверхминиатюрные и встраиваемые MLCC

Поскольку форм-факторы смарт-часов уменьшаются до толщины менее 10 мм, поставщики MLCC развиваются в нескольких направлениях:

• Высокоемкостные MLCC в корпусах 01005 и даже 008004
• Сложенные MLCC для обеспечения большой емкости в ограниченном пространстве
• Встроенная технология MLCC, интеграция конденсаторов в модули или корпуса микросхем

Эти инновации значительно повысят гибкость проектирования и системную интеграцию носимых устройств следующего поколения.

MLCC | Управление питанием носимых устройств | Высокочастотные керамические конденсаторы