บทบาทของ MLCCs ในการออกแบบสมาร์ทวอทช์: การปกป้องความสมบูรณ์ของพลังงานและประสิทธิภาพสัญญาณ

I. บริบทโครงการ: ความท้าทายในระบบพลังงานของสมาร์ทวอทช์

สมาร์ทวอทช์ในฐานะอุปกรณ์สวมใส่ที่ถูกออกแบบให้รวมระบบต่าง ๆ เข้าด้วยกันอย่างสูง ต้องสามารถให้บริการฟังก์ชันที่ซับซ้อน เช่น การเชื่อมต่อแบบบลูทูธ หน้าจอสัมผัส การตรวจสอบอัตราการเต้นของหัวใจ และระบบติดตามตำแหน่งผ่านดาวเทียม (GPS) ภายใต้รูปทรงที่กะทัดรัดมาก โดยความท้าทายทางวิศวกรรมที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งคือการรักษาความเสถียรของพลังงานและรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ RF ระหว่างระบบย่อยต่าง ๆ

II. บทบาทอเนกประสงค์ของ MLCCs ในสมาร์ทวอทช์

MLCCs ทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบที่ใช้งานได้หลากหลายบนแผงวงจร (PCB) ของสมาร์ทวอทช์:

• ในฐานะตัวกรองบนสายไฟ ช่วยลดสัญญาณรบกวนและแรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงชั่วคราว;
• ภายในโมดูล RF ช่วยให้เกิดการจับคู่ความต้านทานไฟฟ้าเพื่อให้การส่งสัญญาณมีความชัดเจน;
• ที่ขั้นตอนเอาต์พุตของ PMIC ช่วยในการแยกสัญญาณเพื่อลดการเกิดแรงดันไฟฟ้ากระชากและสัญญาณรบกวนจากช่องสัญญาณอื่น (cross-talk)

ด้วยขนาดที่กะทัดรัดและความน่าเชื่อถือสูง ทำให้ MLCCs เป็นองค์ประกอบแบบพาสซีฟที่ถูกใช้มากที่สุดในสมาร์ทวอทช์ สมาร์ทวอทช์หนึ่งเรือนอาจมี MLCCs มากกว่า 250 ตัว โดยส่วนใหญ่เป็นขนาด 0402, 0201 หรือแม้แต่ขนาดมินิจูร์ระดับสูงอย่าง 01005

III. การวิเคราะห์กรณีศึกษา: การใช้ MLCCs เพื่อสร้างสถาปัตยกรรมแหล่งจ่ายไฟที่มีเสถียรภาพ

ในโครงการปรับปรุงสถาปัตยกรรมแหล่งจ่ายไฟสำหรับแบรนด์สมาร์ทวอทช์ยอดนิยมในยุโรป แบบแปลนเริ่มต้นมีปัญหาเกี่ยวกับสัญญาณรบกวนที่เอาต์พุตของตัวแปลง DC-DC ซึ่งก่อให้เกิดความไม่เสถียรแบบเป็นระยะใน BLE การสื่อสาร ทีมวิศวกรจึงได้ใช้กลยุทธ์การปรับปรุง MLCCs ดังนี้

• เพิ่มเครือข่ายตัวเก็บประจุแบบสามตัว (1μF, 100nF, 10nF) โดยใช้ MLCCs แบบ X5R เพื่อครอบคลุมช่วงความถี่กว้าง
• นำ MLCCs ขนาด 1μF ที่มีฉนวนแบบ C0G เข้ามาใช้ในเส้นทางไฟของ BLE เพื่อปรับปรุงการตอบสนองที่ความถี่สูง
• ออกแบบลายวงจรใหม่เพื่อวางตำแหน่ง MLCCs ให้ใกล้กับตัว PMIC และขาจ่ายไฟของ BLE มากยิ่งขึ้น เพื่อลดค่าอินดักแตนซ์แบบพาราซิติก

การปรับปรุงนี้ช่วยลดอัตราความผิดพลาดในการสื่อสาร BLE จาก 8% ให้เหลือต่ำกว่า 0.5% และทำให้การใช้พลังงานในโหมดสแตนด์บายมีความเสถียรมากยิ่งขึ้น

IV. การเพิ่มประสิทธิภาพความสมบูรณ์ของสัญญาณ: ตัวเก็บประจุเซรามิกแบบหลายชั้น (MLCC) ในโมดูล RF

ในเส้นทาง RF ที่ความถี่ 2.4GHz การเลือกใช้ MLCC มีความสำคัญอย่างมาก การเลือกใช้ประเภทไดอิเล็กทริกหรือค่าความจุที่ไม่เหมาะสม อาจส่งผลให้เกิดการบิดเบือนของสัญญาณ ค่า VSWR สูง หรือเกิดการไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์

การออกแบบที่ประสบความสำเร็จควรปฏิบัติตามกฎเหล่านี้:

• ใช้ MLCC ประเภท C0G สำหรับความถี่ >1GHz เพื่อให้แน่ใจว่ามีความเสถียรทางอุณหภูมิ;
• ใช้การจำลองค่าพารามิเตอร์ S เพื่อปรับแต่งค่าความจุให้เหมาะสม (เช่น 0.8pF, 1.2pF);
• เลือกใช้แพ็กเกจที่ไม่ใหญ่กว่า 0402 เพื่อลดผลกระทบเชิงพาหะ (Parasitic effects)

V. แนวโน้มในอนาคต: MLCC ขนาดมินิจิ๋วและแบบฝัง

เมื่อรูปทรงของสมาร์ทวอทช์มีความบางน้อยกว่า 10 มม. ผู้ผลิต MLCC กำลังพัฒนาในหลายด้าน:

• MLCC ที่มีความจุสูงในแพ็กเกจ 01005 และแม้แต่ 008004
• ตัวเก็บประจุเซรามิกแบบหลายชั้น (MLCC) แบบซ้อนกันเพื่อให้ได้ความจุขนาดใหญ่ในพื้นที่จำกัด
• เทคโนโลยีตัวเก็บประจุเซรามิกแบบหลายชั้น (MLCC) แบบฝัง ซึ่งรวมตัวเก็บประจุไว้ภายในโมดูลหรือบรรจุภัณฑ์ชิป

นวัตกรรมเหล่านี้จะช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในการออกแบบและการรวมระบบสำหรับอุปกรณ์สวมใส่รุ่นใหม่อย่างมีนัยสำคัญ

ตัวเก็บประจุเซรามิกแบบหลายชั้น (MLCC) | การจัดการพลังงานสำหรับอุปกรณ์สวมใส่ | ตัวเก็บประจุเซรามิกความถี่สูง