關(guān)于縮小電源尺寸的新方案解析

本文將探討MinE-Cap器件。這是一種通過縮小電源的輸入大電容尺寸來縮小AC-DC電源尺寸的創(chuàng)新解決方案。這種方法以前從未有人使用過。大電容是電源輸入端的儲能元件，用于濾波以減少來自交流線路的紋波。輸入大電容在整個電源的體積中占有很大的比重。其尺寸取決于低輸入電壓下對輸入進行有效濾波所需的足夠大的電容容量，同時也需要滿足高輸入電壓下400V（至少）的額定電壓。

通用輸入電源的輸入電壓范圍為90VAC至265VAC，經(jīng)過整流后，相當于大約為100V至400V的直流母線電壓。但是，當輸入電壓較低時，所需的儲能電容容量卻是最高的，因此電容容量的大小取決于最低的輸入電壓。正是由于大電容要滿足高耐壓和高容量，才使得大容量輸入電容體積如此之大。

采用新的MinE-CAP方法，就不需要非常大的高壓高容量電容器件。只需選擇一個尺寸小得多的低容值400V電容，電源就能在高輸入電壓下安全工作。再使用一個容值更大但額定電壓更低的電容與之并聯(lián)，這個大容值電容與新的MinE-Cap IC串聯(lián)，可提供低輸入電壓所需的額外儲能容量（參見圖1）。由于該電容的額定電壓僅為160V，因此它的體積比相同容值的400V電容器小得多，約為其體積的三分之一。因此，電源的輸入級尺寸得以大幅縮小。

就電源的整體輸入級而言，MinE-CAP可有效縮小約50%的電容體積，進而將電源的總體積縮小高達40%。如果不使用MinE-CAP，這些電容就會非常大，以至于難以放置到電源殼體內(nèi)，因此會對電源的總體積產(chǎn)生不成比例的影響。

MinE-CAP采用了精密的控制器，盡管看似一個簡單的開關(guān)。它可以隨時準確地測量160V電容兩端的電壓。MinE-CAP IC可以在一個工頻周期內(nèi)將160V電容切入和切出電路，并監(jiān)測輸入浪涌和提供保護，從而使低壓電容兩端的電壓始終在生產(chǎn)廠商的最大電壓限值之內(nèi)。

一、可靠性

MinE-Cap IC設(shè)計中還有兩個非常重要的方面。首先，MinE-CAP所使用的氮化鎵晶體管采用Power Integrations的PowiGaN工藝制造而成。該晶體管是專門為關(guān)斷狀態(tài)下的極低漏電流設(shè)計的。在高輸入電壓下，當MinE-Cap關(guān)斷時，漏電流低的特性尤為重要，這樣可避免對低壓電容過度充電。

MinE-CAP架構(gòu)的第二個顯著優(yōu)勢是其對浪涌電流的影響。浪涌電流是指當交流電首次上電時電源輸入端所測量得到的電流。當您有一個非常大的輸入大電容時，就會具有很高的輸入浪涌電流。在大多數(shù)電源中，這意味著您必須引入一個名為負溫度系數(shù)（NTC）電阻的元件。NTC器件在低溫時電阻很大，高溫時電阻就小得多。因此，當交流電上電時，電阻較高，浪涌電流得以被限制減小。

而使用MinE-CAP后則完全不需要NTC，因為交流電首次上電時，交流電所需要充電的電容僅為低容值的400V電容。MinE-CAP是開路的，它可在初次上電時阻止任何電流流入160V電容。隨后，MinE-CAP以受到很好控制的、更低的電流變化率對160V電容進行充電，這樣就完全不需要NTC，并且還能提高電源的效率。此外，通過減小浪涌電流，還可以降低整流橋的應(yīng)力。

二、簡化設(shè)計

MinE-Cap采用小型MinSOP-16A IC封裝，設(shè)計電路時只需要極少的外圍元件。它還可以與Power Integrations的InnoSwitch系列電源IC平滑對接，如圖2所示。有兩個連接：一個連接至InnoSwitch開關(guān)的V引腳，MinE-CAP通過檢測電阻將輸入電壓信息傳遞至InnoSwitch；另外，MinE-CAP從InnoSwitch開關(guān)的旁路引腳BPP取電。

為了簡化任何給定設(shè)計中400V和160V電容的電容值選擇，Power Integrations在MinE-CAP數(shù)據(jù)手冊中提供了一條選擇曲線。請參見圖3。其中X軸是電源的輸出功率，Y軸是電容容量，單位為微法拉，160V和400V器件的數(shù)值用不同的區(qū)段標示。

圖3

Power Integrations發(fā)現(xiàn)，輸出功率在35W到70W之間的設(shè)計可以實現(xiàn)最大的尺寸縮小。高于70W時，通常將需要增加功率因數(shù)校正（PFC）輸入級，其升壓功能可確保大電容電壓始終處于高壓狀態(tài)，這樣MinE-Cap無法起到其應(yīng)有的作用。然而，在諸如音頻放大器等應(yīng)用中，盡管其電源的瞬態(tài)峰值功率可能在70W以上，但往往也不需要有前級PFC線路，在這種情況下，即使輸出功率較高，MinE-Cap也能發(fā)揮出其降低電源尺寸的好處。

三、超寬輸入范圍電源

還有一類電源，MinE-Cap在縮小整體尺寸方面更為有效：即所謂的超寬輸入范圍電源，其工作電壓在90VAC至最高400VAC之間。這些電源通常用于新興市場，例如印度，在這些市場中，交流輸入電壓容易出現(xiàn)較大的波動。超寬輸入范圍電源的輸入級比標準通用輸入電源更復雜，因為整流電壓接近600VDC。傳統(tǒng)的400V電容顯然已經(jīng)不能滿足需要。如果采用額定電壓為600V的電解電容，但其價格昂貴。設(shè)計人員更常采用的方法是，將兩個350V或400V的電容串聯(lián)疊加在一起使用，以達到必要的擊穿電壓要求，但代價是電容串聯(lián)后其在電路中的等效容量會相應(yīng)減半。

這對于電源設(shè)計人員來說是一個現(xiàn)實的問題，因為低輸入電壓條件與普通的通用輸入電源90VAC沒有什么區(qū)別，此時需要足夠大的電容容量來有效地過濾交流輸入電壓紋波，并為后級電路提供有效的功率。現(xiàn)在，由于電容進行串聯(lián)疊加連接以滿足高耐壓要求的情況下，電容在電路中的等效容量減小了，因而需要許多組這樣疊加的電容電路并聯(lián)以達到所需的容量，這樣就進一步增加了電源的尺寸。

此時，MinE-CAP的優(yōu)勢就更加明顯了。與標準的通用輸入電源一樣，MinE-Cap可以在低輸入電壓條件下增加容量，而在高輸入電壓條件下可以使用小得多的疊加電容，這得益于高輸入電壓的V2儲能特性。

從圖4 可以看出，這種超寬范圍MinE-CAP設(shè)計所使用的160V電容與標準通用輸入電源完全相同，與之前一樣，該電容與MinE-CAP串聯(lián)。在這個超寬輸入范圍內(nèi)，CLV的電容值并沒有什么不同，因為只有在低輸入電壓條件下需要時才會引入。另一方面，400V的疊加電容可以大幅縮小。在部分此類應(yīng)用中，Power Integrations提供的參考設(shè)計已可將整個電容尺寸減小60-65%。由于MinE-CAP內(nèi)部的PowiGaN氮化鎵開關(guān)的峰值電壓額定值為750V，因此MinE-CAP可承受這些高電壓，滿足超寬輸入電壓范圍的設(shè)計應(yīng)用。

四、總結(jié)

為縮小電源尺寸，經(jīng)常采用的一種方法是提高開關(guān)頻率，進而可以使用更小的變壓器。然而，這種方法需要重新設(shè)計磁性元件，通常還會涉及到一些更復雜的設(shè)計，包括有源箝位電路，以減少初級箝位損耗。使用有源箝位（通常會增加另一個氮化鎵功率開關(guān)）意味著元件數(shù)量更多，增加所需的電路板空間，并使電源結(jié)構(gòu)設(shè)計更具挑戰(zhàn)性。這種方法也會增加電源輸入端的EMI濾波器的尺寸。

與此形成鮮明對比的是，使用MinE-CAP后在現(xiàn)有電路中改變的僅僅是輸入電容的大小。主變換器的開關(guān)頻率無需變化，EMI濾波器通常也無需變化。無需使用有損耗的NTC器件來減小浪涌電流，并且還會降低整流橋上的應(yīng)力，從而進一步減小尺寸并提高可靠性。MinE-CAP電路完全不影響電源的輸出紋波，因此設(shè)計人員可以獲得與傳統(tǒng)電源相同的低紋波輸出性能。MinE-CAP電源不僅效率更高、體積更小、更可靠，還能保持非常少的元件數(shù)，因此這種電源的開發(fā)速度更快、更易于制造。
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