原创文章｜使用氮化镓IC对离线式电源的大电容进行优化
时间：2021-09-06 15:19:06
[导读]注：原载于Bodo's功率系统，2021年8月17日作者：ChrisLee，PowerIntegrations产品推广总监USBPD3.0和Type-C连接器的普及使用，有望使过去各行其是的电子细分市场的电源适配器实现标准化。旅行者需要为笔记本电脑和手机携带单独的适配器的日子已经...
注：原载于Bodo's 功率系统，2021年8月17日
作者：Chris Lee，Power Integrations产品推广总监
USB PD 3.0和Type-C连接器的普及使用，有望使过去各行其是的电子细分市场的电源适配器实现标准化。旅行者需要为笔记本电脑和手机携带单独的适配器的日子已经一去不复返了。非原厂适配器制造商正集中精力应对这一新的市场机会，力争占据一席之地。对于更高功率密度的高效、高性价比解决方案的需求从未如此强烈。
额定功率低于75W的适配器的组成元件包括：输入滤波器、二极管整流器、输入和输出电容、IC控制器、辅助电源、磁性元件、功率器件和散热片。集成解决方案在缩小和简化变换器方面已经取得了长足的进步，剩下的最大元件就是磁性元件、输入大电容、输出电容和EMI输入级。为了减小磁性元件的尺寸，在高频AC/DC变换器的设计上投入了大量的研究和工程工作。然而，输入大电容所占体积与适配器内的磁性元件相比却差不多甚至更大。
Power Integrations推出了一款名为MinE-CAP的新IC，旨在解决通用输入设计的输入大电容的优化问题。MinE-CAP可确保在通用输入设计中安全地使用额定电压160V的电容，从而将大电容的体积最多减小50%。
MinE-CAP是与低压电容（图1中的CLV）串联放置的低阻抗开关电路。它可以监测CLV两端的电压，并在输入电压在阈值附近上升/下降时连接和断开电容。MinE-CAP电路可与高频功率变换级搭配使用，以最大限度地节省空间。
系统设计要点
通用电源适配器的经验法则是，当设计考虑的输入电压低至90VAC时，选择的直流母线电容值（以μF为单位）应为输出功率要求（以W为单位）的1.5至2倍。对于仅高输入电压的应用，总电容可以大大降低。基于这一设计原理，MinE-CAP可以帮助设计人员大幅缩小输入大电容的尺寸。
下图所示为一个典型MinE-CAP应用的电路原理图。
图1：典型的MinE-CAP应用
CHV是高压电容（额定电压400V），通常占总电容的20％左右。CLV是低压电容(160 V)，约占总电容的80%。电容容量的这种分配可使电容的体积最多减少50％，从而使适配器尺寸总体减少40％。
图2：65W适配器的第一级优化
在图2中，上图是一个典型的65W适配器，它需要一个400V、100µF的电容。下图显示了在完全相同的65W适配器设计中使用MinE-CAP所实现的空间节省。总输入电容分为两个160V、47µF电容和一个400V、22µF电容。因此，总电容实际增加了16%，同时，大电容体积减少了40%。
图3：低输入电压启动时采用的充电算法
典型应用
设计人员可以采用现有设计并修改输入大电容级，以减小输入级所占用的空间。这样，他们可以缩小适配器的外壳尺寸，或者相反，他们可以在相同的外壳中增大输入电容容量，以增大功率。
MinE-CAP的另一个设计用途是要求峰值功率输出的应用。越来越多的板上协议芯片与被充电设备进行双向通信。这些芯片通常会监测和报告适配器的温度、故障情况和功率输出能力。设计人员正在利用这种双向通信，提供1.5至2倍的标称功率。这些峰值功率算法大大缩短了充电时间。然而，输入大电容限制了峰值功率输出能力。使用MinE-CAP，在相同的空间内可以大幅增加输入大电容。这样，即使在低输入电压下，也能延长峰值功率输出的持续时间。
MinE-CAP的工作方式
MinE-CAP可以精确地对CLV进行充电和监测电压，只有在需要最大输入电容时，才会在低输入电压下将该电容接入电路。MinE-CAP能够根据需要在每个工频周期内动态接入和断开CLV。因此，电源在整个规定的输入电压范围内都能平稳工作。对于图2所示的设计，有效的低输入电压大电容总容量为116µF，而有效的高输入电压大电容总容量为22µF。
当系统处于高输入电压下时，MinE-CAP通过VTOP和VBOT测量CLV两端的电压差。它可调节CLV上的电压，以在出现输入电压或负载阶跃时支持功率输出。
MinE-CAP的启动
在传统设计中，启动时，进入大电容的浪涌电流会影响保险丝、整流桥和电容的可靠性，因为该电流只受线路阻抗和输入滤波器的限制。随着适配器额定功率的增大，浪涌电流也随之增大，往往需要使用NTC热敏电阻来保护保险丝和二极管桥堆。然而，NTC热敏电阻会降低系统的整体效率，并在输入级增加一个发热点。因此，保险丝和二极管桥堆通常尺寸规格都偏高，而热敏电阻的尺寸规格都偏小，以减小其对系统效率的影响。
在MinE-CAP设计中，80%的大电容会在启动时从电路断开。在低输入电压启动条件下(VIN<150VAC)，MinE-CAP对CLV进行精确控制的主动充电。在低输入电压启动条件下，在使能DC/DC变换器之前，必须对CLV进行预充电以支持全功率能力。MinE-CAP IC将内部高压开关配置为电流源，为CLV提供精确、恒流的脉冲充电，请参见图3。这种方法可以对CLV进行快速充电，并确保电源在初始上电后不到250毫秒的时间内就能提供全功率。对CLV采用这种可控充电方式，可以使MinE-CAP设计省去浪涌NTC热敏电阻，这有助于消除发热点和提高变换效率，从而改善整个系统设计。
对于高压输入应用(VIN>150VAC)，仅CHV支持全功率输出。MinE-CAP对CLV进行缓慢充电，并将电压调节到电容额定电压以下。这样可以改善因输入电压跌落而导致的电源维持时间。
保护特性
除精确启动控制外，MinE-CAP还集成了一系列保护特性，包括过温、引脚开路/短路故障检测以及浪涌保护。如果发生故障，MinE-CAP会从系统中断开CLV。为了防止系统进一步损坏，MinE-CAP通过L引脚将故障信息传送到功率变换级。在正常工作条件下，该多用途引脚还用于将直流母线电压信息传送到电源控制器IC。
总结
在通常只能使用额定值400V的电容的通用输入设计中，MinE-CAP允许使用额定值160V的电容，所节省的空间相当于采用更高的开关频率所实现的空间。精确启动控制无需使用NTC热敏电阻，这并不会影响最终用户的使用体验。直流母线电压和故障信息通过L引脚传送到DC/DC变换器。将MinE-CAP与InnoSwitch IC系列器件搭配使用，可最大限度地提高集成度、减少元件数量、简化布局并优化电源尺寸。
相关阅读：
1、新款MinE-CAP IC可将适配器的尺寸缩小40％2、Power Integrations推出全新MinE-CAP IC，可将AC-DC变换器的体积最多缩小40％
点击“阅读原文”，了解更多。↓↓↓
作者：Chris Lee，Power Integrations产品推广总监
USB PD 3.0和Type-C连接器的普及使用，有望使过去各行其是的电子细分市场的电源适配器实现标准化。旅行者需要为笔记本电脑和手机携带单独的适配器的日子已经一去不复返了。非原厂适配器制造商正集中精力应对这一新的市场机会，力争占据一席之地。对于更高功率密度的高效、高性价比解决方案的需求从未如此强烈。
额定功率低于75W的适配器的组成元件包括：输入滤波器、二极管整流器、输入和输出电容、IC控制器、辅助电源、磁性元件、功率器件和散热片。集成解决方案在缩小和简化变换器方面已经取得了长足的进步，剩下的最大元件就是磁性元件、输入大电容、输出电容和EMI输入级。为了减小磁性元件的尺寸，在高频AC/DC变换器的设计上投入了大量的研究和工程工作。然而，输入大电容所占体积与适配器内的磁性元件相比却差不多甚至更大。
Power Integrations推出了一款名为MinE-CAP的新IC，旨在解决通用输入设计的输入大电容的优化问题。MinE-CAP可确保在通用输入设计中安全地使用额定电压160V的电容，从而将大电容的体积最多减小50%。
MinE-CAP是与低压电容（图1中的CLV）串联放置的低阻抗开关电路。它可以监测CLV两端的电压，并在输入电压在阈值附近上升/下降时连接和断开电容。MinE-CAP电路可与高频功率变换级搭配使用，以最大限度地节省空间。
系统设计要点
通用电源适配器的经验法则是，当设计考虑的输入电压低至90VAC时，选择的直流母线电容值（以μF为单位）应为输出功率要求（以W为单位）的1.5至2倍。对于仅高输入电压的应用，总电容可以大大降低。基于这一设计原理，MinE-CAP可以帮助设计人员大幅缩小输入大电容的尺寸。
下图所示为一个典型MinE-CAP应用的电路原理图。
图1：典型的MinE-CAP应用
CHV是高压电容（额定电压400V），通常占总电容的20％左右。CLV是低压电容(160 V)，约占总电容的80%。电容容量的这种分配可使电容的体积最多减少50％，从而使适配器尺寸总体减少40％。
图2：65W适配器的第一级优化
在图2中，上图是一个典型的65W适配器，它需要一个400V、100µF的电容。下图显示了在完全相同的65W适配器设计中使用MinE-CAP所实现的空间节省。总输入电容分为两个160V、47µF电容和一个400V、22µF电容。因此，总电容实际增加了16%，同时，大电容体积减少了40%。
图3：低输入电压启动时采用的充电算法
典型应用
设计人员可以采用现有设计并修改输入大电容级，以减小输入级所占用的空间。这样，他们可以缩小适配器的外壳尺寸，或者相反，他们可以在相同的外壳中增大输入电容容量，以增大功率。
MinE-CAP的另一个设计用途是要求峰值功率输出的应用。越来越多的板上协议芯片与被充电设备进行双向通信。这些芯片通常会监测和报告适配器的温度、故障情况和功率输出能力。设计人员正在利用这种双向通信，提供1.5至2倍的标称功率。这些峰值功率算法大大缩短了充电时间。然而，输入大电容限制了峰值功率输出能力。使用MinE-CAP，在相同的空间内可以大幅增加输入大电容。这样，即使在低输入电压下，也能延长峰值功率输出的持续时间。
MinE-CAP的工作方式
MinE-CAP可以精确地对CLV进行充电和监测电压，只有在需要最大输入电容时，才会在低输入电压下将该电容接入电路。MinE-CAP能够根据需要在每个工频周期内动态接入和断开CLV。因此，电源在整个规定的输入电压范围内都能平稳工作。对于图2所示的设计，有效的低输入电压大电容总容量为116µF，而有效的高输入电压大电容总容量为22µF。
当系统处于高输入电压下时，MinE-CAP通过VTOP和VBOT测量CLV两端的电压差。它可调节CLV上的电压，以在出现输入电压或负载阶跃时支持功率输出。
MinE-CAP的启动
在传统设计中，启动时，进入大电容的浪涌电流会影响保险丝、整流桥和电容的可靠性，因为该电流只受线路阻抗和输入滤波器的限制。随着适配器额定功率的增大，浪涌电流也随之增大，往往需要使用NTC热敏电阻来保护保险丝和二极管桥堆。然而，NTC热敏电阻会降低系统的整体效率，并在输入级增加一个发热点。因此，保险丝和二极管桥堆通常尺寸规格都偏高，而热敏电阻的尺寸规格都偏小，以减小其对系统效率的影响。
在MinE-CAP设计中，80%的大电容会在启动时从电路断开。在低输入电压启动条件下(VIN<150VAC)，MinE-CAP对CLV进行精确控制的主动充电。在低输入电压启动条件下，在使能DC/DC变换器之前，必须对CLV进行预充电以支持全功率能力。MinE-CAP IC将内部高压开关配置为电流源，为CLV提供精确、恒流的脉冲充电，请参见图3。这种方法可以对CLV进行快速充电，并确保电源在初始上电后不到250毫秒的时间内就能提供全功率。对CLV采用这种可控充电方式，可以使MinE-CAP设计省去浪涌NTC热敏电阻，这有助于消除发热点和提高变换效率，从而改善整个系统设计。
对于高压输入应用(VIN>150VAC)，仅CHV支持全功率输出。MinE-CAP对CLV进行缓慢充电，并将电压调节到电容额定电压以下。这样可以改善因输入电压跌落而导致的电源维持时间。
保护特性
除精确启动控制外，MinE-CAP还集成了一系列保护特性，包括过温、引脚开路/短路故障检测以及浪涌保护。如果发生故障，MinE-CAP会从系统中断开CLV。为了防止系统进一步损坏，MinE-CAP通过L引脚将故障信息传送到功率变换级。在正常工作条件下，该多用途引脚还用于将直流母线电压信息传送到电源控制器IC。
总结
在通常只能使用额定值400V的电容的通用输入设计中，MinE-CAP允许使用额定值160V的电容，所节省的空间相当于采用更高的开关频率所实现的空间。精确启动控制无需使用NTC热敏电阻，这并不会影响最终用户的使用体验。直流母线电压和故障信息通过L引脚传送到DC/DC变换器。将MinE-CAP与InnoSwitch IC系列器件搭配使用，可最大限度地提高集成度、减少元件数量、简化布局并优化电源尺寸。
相关阅读：
1、新款MinE-CAP IC可将适配器的尺寸缩小40％2、Power Integrations推出全新MinE-CAP IC，可将AC-DC变换器的体积最多缩小40％
点击“阅读原文”，了解更多。↓↓↓
下载文档
