原創(chuàng)文章｜使用氮化鎵IC對離線式電源的大電容進(jìn)行優(yōu)化
[導(dǎo)讀]注：原載于Bodo's功率系統(tǒng)，2021年8月17日作者：ChrisLee，PowerIntegrations產(chǎn)品推廣總監(jiān)USBPD3.0和Type-C連接器的普及使用，有望使過去各行其是的電子細(xì)分市場的電源適配器實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。旅行者需要為筆記本電腦和手機(jī)攜帶單獨(dú)的適配器的日子已經(jīng)...
注：原載于Bodo's 功率系統(tǒng)，2021年8月17日
作者：Chris Lee，Power Integrations產(chǎn)品推廣總監(jiān)
USB PD 3.0和Type-C連接器的普及使用，有望使過去各行其是的電子細(xì)分市場的電源適配器實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。旅行者需要為筆記本電腦和手機(jī)攜帶單獨(dú)的適配器的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。非原廠適配器制造商正集中精力應(yīng)對這一新的市場機(jī)會，力爭占據(jù)一席之地。對于更高功率密度的高效、高性價比解決方案的需求從未如此強(qiáng)烈。
額定功率低于75W的適配器的組成元件包括：輸入濾波器、二極管整流器、輸入和輸出電容、IC控制器、輔助電源、磁性元件、功率器件和散熱片。集成解決方案在縮小和簡化變換器方面已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，剩下的最大元件就是磁性元件、輸入大電容、輸出電容和EMI輸入級。為了減小磁性元件的尺寸，在高頻AC/DC變換器的設(shè)計上投入了大量的研究和工程工作。然而，輸入大電容所占體積與適配器內(nèi)的磁性元件相比卻差不多甚至更大。
Power Integrations推出了一款名為MinE-CAP的新IC，旨在解決通用輸入設(shè)計的輸入大電容的優(yōu)化問題。MinE-CAP可確保在通用輸入設(shè)計中安全地使用額定電壓160V的電容，從而將大電容的體積最多減小50%。?
MinE-CAP是與低壓電容（圖1中的CLV）串聯(lián)放置的低阻抗開關(guān)電路。它可以監(jiān)測CLV兩端的電壓，并在輸入電壓在閾值附近上升/下降時連接和斷開電容。MinE-CAP電路可與高頻功率變換級搭配使用，以最大限度地節(jié)省空間。
系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)
通用電源適配器的經(jīng)驗法則是，當(dāng)設(shè)計考慮的輸入電壓低至90VAC時，選擇的直流母線電容值（以μF為單位）應(yīng)為輸出功率要求（以W為單位）的1.5至2倍。對于僅高輸入電壓的應(yīng)用，總電容可以大大降低?；谶@一設(shè)計原理，MinE-CAP可以幫助設(shè)計人員大幅縮小輸入大電容的尺寸。
下圖所示為一個典型MinE-CAP應(yīng)用的電路原理圖。
圖1：典型的MinE-CAP應(yīng)用
CHV是高壓電容（額定電壓400V），通常占總電容的20％左右。CLV是低壓電容(160 V)，約占總電容的80%。電容容量的這種分配可使電容的體積最多減少50％，從而使適配器尺寸總體減少40％。
圖2：65W適配器的第一級優(yōu)化
在圖2中，上圖是一個典型的65W適配器，它需要一個400V、100μF的電容。下圖顯示了在完全相同的65W適配器設(shè)計中使用MinE-CAP所實現(xiàn)的空間節(jié)省。總輸入電容分為兩個160V、47μF電容和一個400V、22μF電容。因此，總電容實際增加了16%，同時，大電容體積減少了40%。
圖3：低輸入電壓啟動時采用的充電算法
典型應(yīng)用
設(shè)計人員可以采用現(xiàn)有設(shè)計并修改輸入大電容級，以減小輸入級所占用的空間。這樣，他們可以縮小適配器的外殼尺寸，或者相反，他們可以在相同的外殼中增大輸入電容容量，以增大功率。
MinE-CAP的另一個設(shè)計用途是要求峰值功率輸出的應(yīng)用。越來越多的板上協(xié)議芯片與被充電設(shè)備進(jìn)行雙向通信。這些芯片通常會監(jiān)測和報告適配器的溫度、故障情況和功率輸出能力。設(shè)計人員正在利用這種雙向通信，提供1.5至2倍的標(biāo)稱功率。這些峰值功率算法大大縮短了充電時間。然而，輸入大電容限制了峰值功率輸出能力。使用MinE-CAP，在相同的空間內(nèi)可以大幅增加輸入大電容。這樣，即使在低輸入電壓下，也能延長峰值功率輸出的持續(xù)時間。
MinE-CAP的工作方式
MinE-CAP可以精確地對CLV進(jìn)行充電和監(jiān)測電壓，只有在需要最大輸入電容時，才會在低輸入電壓下將該電容接入電路。MinE-CAP能夠根據(jù)需要在每個工頻周期內(nèi)動態(tài)接入和斷開CLV。因此，電源在整個規(guī)定的輸入電壓范圍內(nèi)都能平穩(wěn)工作。對于圖2所示的設(shè)計，有效的低輸入電壓大電容總?cè)萘繛?16μF，而有效的高輸入電壓大電容總?cè)萘繛?2μF。
當(dāng)系統(tǒng)處于高輸入電壓下時，MinE-CAP通過VTOP和VBOT測量CLV兩端的電壓差。它可調(diào)節(jié)CLV上的電壓，以在出現(xiàn)輸入電壓或負(fù)載階躍時支持功率輸出。
MinE-CAP的啟動
在傳統(tǒng)設(shè)計中，啟動時，進(jìn)入大電容的浪涌電流會影響保險絲、整流橋和電容的可靠性，因為該電流只受線路阻抗和輸入濾波器的限制。隨著適配器額定功率的增大，浪涌電流也隨之增大，往往需要使用NTC熱敏電阻來保護(hù)保險絲和二極管橋堆。然而，NTC熱敏電阻會降低系統(tǒng)的整體效率，并在輸入級增加一個發(fā)熱點(diǎn)。因此，保險絲和二極管橋堆通常尺寸規(guī)格都偏高，而熱敏電阻的尺寸規(guī)格都偏小，以減小其對系統(tǒng)效率的影響。
在MinE-CAP設(shè)計中，80%的大電容會在啟動時從電路斷開。在低輸入電壓啟動條件下(VIN<150VAC)，MinE-CAP對CLV進(jìn)行精確控制的主動充電。在低輸入電壓啟動條件下，在使能DC/DC變換器之前，必須對CLV進(jìn)行預(yù)充電以支持全功率能力。MinE-CAP IC將內(nèi)部高壓開關(guān)配置為電流源，為CLV提供精確、恒流的脈沖充電，請參見圖3。這種方法可以對CLV進(jìn)行快速充電，并確保電源在初始上電后不到250毫秒的時間內(nèi)就能提供全功率。對CLV采用這種可控充電方式，可以使MinE-CAP設(shè)計省去浪涌NTC熱敏電阻，這有助于消除發(fā)熱點(diǎn)和提高變換效率，從而改善整個系統(tǒng)設(shè)計。
對于高壓輸入應(yīng)用(VIN>150VAC)，僅CHV支持全功率輸出。MinE-CAP對CLV進(jìn)行緩慢充電，并將電壓調(diào)節(jié)到電容額定電壓以下。這樣可以改善因輸入電壓跌落而導(dǎo)致的電源維持時間。
保護(hù)特性
除精確啟動控制外，MinE-CAP還集成了一系列保護(hù)特性，包括過溫、引腳開路/短路故障檢測以及浪涌保護(hù)。如果發(fā)生故障，MinE-CAP會從系統(tǒng)中斷開CLV。為了防止系統(tǒng)進(jìn)一步損壞，MinE-CAP通過L引腳將故障信息傳送到功率變換級。在正常工作條件下，該多用途引腳還用于將直流母線電壓信息傳送到電源控制器IC。
總結(jié)
在通常只能使用額定值400V的電容的通用輸入設(shè)計中，MinE-CAP允許使用額定值160V的電容，所節(jié)省的空間相當(dāng)于采用更高的開關(guān)頻率所實現(xiàn)的空間。精確啟動控制無需使用NTC熱敏電阻，這并不會影響最終用戶的使用體驗。直流母線電壓和故障信息通過L引腳傳送到DC/DC變換器。將MinE-CAP與InnoSwitch IC系列器件搭配使用，可最大限度地提高集成度、減少元件數(shù)量、簡化布局并優(yōu)化電源尺寸。
相關(guān)閱讀：
1、新款MinE-CAP IC可將適配器的尺寸縮小40％2、Power Integrations推出全新MinE-CAP IC，可將AC-DC變換器的體積最多縮小40％
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作者：Chris Lee，Power Integrations產(chǎn)品推廣總監(jiān)
USB PD 3.0和Type-C連接器的普及使用，有望使過去各行其是的電子細(xì)分市場的電源適配器實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。旅行者需要為筆記本電腦和手機(jī)攜帶單獨(dú)的適配器的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。非原廠適配器制造商正集中精力應(yīng)對這一新的市場機(jī)會，力爭占據(jù)一席之地。對于更高功率密度的高效、高性價比解決方案的需求從未如此強(qiáng)烈。
額定功率低于75W的適配器的組成元件包括：輸入濾波器、二極管整流器、輸入和輸出電容、IC控制器、輔助電源、磁性元件、功率器件和散熱片。集成解決方案在縮小和簡化變換器方面已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，剩下的最大元件就是磁性元件、輸入大電容、輸出電容和EMI輸入級。為了減小磁性元件的尺寸，在高頻AC/DC變換器的設(shè)計上投入了大量的研究和工程工作。然而，輸入大電容所占體積與適配器內(nèi)的磁性元件相比卻差不多甚至更大。
Power Integrations推出了一款名為MinE-CAP的新IC，旨在解決通用輸入設(shè)計的輸入大電容的優(yōu)化問題。MinE-CAP可確保在通用輸入設(shè)計中安全地使用額定電壓160V的電容，從而將大電容的體積最多減小50%。?
MinE-CAP是與低壓電容（圖1中的CLV）串聯(lián)放置的低阻抗開關(guān)電路。它可以監(jiān)測CLV兩端的電壓，并在輸入電壓在閾值附近上升/下降時連接和斷開電容。MinE-CAP電路可與高頻功率變換級搭配使用，以最大限度地節(jié)省空間。
系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)
通用電源適配器的經(jīng)驗法則是，當(dāng)設(shè)計考慮的輸入電壓低至90VAC時，選擇的直流母線電容值（以μF為單位）應(yīng)為輸出功率要求（以W為單位）的1.5至2倍。對于僅高輸入電壓的應(yīng)用，總電容可以大大降低?；谶@一設(shè)計原理，MinE-CAP可以幫助設(shè)計人員大幅縮小輸入大電容的尺寸。
下圖所示為一個典型MinE-CAP應(yīng)用的電路原理圖。
圖1：典型的MinE-CAP應(yīng)用
CHV是高壓電容（額定電壓400V），通常占總電容的20％左右。CLV是低壓電容(160 V)，約占總電容的80%。電容容量的這種分配可使電容的體積最多減少50％，從而使適配器尺寸總體減少40％。
圖2：65W適配器的第一級優(yōu)化
在圖2中，上圖是一個典型的65W適配器，它需要一個400V、100μF的電容。下圖顯示了在完全相同的65W適配器設(shè)計中使用MinE-CAP所實現(xiàn)的空間節(jié)省。總輸入電容分為兩個160V、47μF電容和一個400V、22μF電容。因此，總電容實際增加了16%，同時，大電容體積減少了40%。
圖3：低輸入電壓啟動時采用的充電算法
典型應(yīng)用
設(shè)計人員可以采用現(xiàn)有設(shè)計并修改輸入大電容級，以減小輸入級所占用的空間。這樣，他們可以縮小適配器的外殼尺寸，或者相反，他們可以在相同的外殼中增大輸入電容容量，以增大功率。
MinE-CAP的另一個設(shè)計用途是要求峰值功率輸出的應(yīng)用。越來越多的板上協(xié)議芯片與被充電設(shè)備進(jìn)行雙向通信。這些芯片通常會監(jiān)測和報告適配器的溫度、故障情況和功率輸出能力。設(shè)計人員正在利用這種雙向通信，提供1.5至2倍的標(biāo)稱功率。這些峰值功率算法大大縮短了充電時間。然而，輸入大電容限制了峰值功率輸出能力。使用MinE-CAP，在相同的空間內(nèi)可以大幅增加輸入大電容。這樣，即使在低輸入電壓下，也能延長峰值功率輸出的持續(xù)時間。
MinE-CAP的工作方式
MinE-CAP可以精確地對CLV進(jìn)行充電和監(jiān)測電壓，只有在需要最大輸入電容時，才會在低輸入電壓下將該電容接入電路。MinE-CAP能夠根據(jù)需要在每個工頻周期內(nèi)動態(tài)接入和斷開CLV。因此，電源在整個規(guī)定的輸入電壓范圍內(nèi)都能平穩(wěn)工作。對于圖2所示的設(shè)計，有效的低輸入電壓大電容總?cè)萘繛?16μF，而有效的高輸入電壓大電容總?cè)萘繛?2μF。
當(dāng)系統(tǒng)處于高輸入電壓下時，MinE-CAP通過VTOP和VBOT測量CLV兩端的電壓差。它可調(diào)節(jié)CLV上的電壓，以在出現(xiàn)輸入電壓或負(fù)載階躍時支持功率輸出。
MinE-CAP的啟動
在傳統(tǒng)設(shè)計中，啟動時，進(jìn)入大電容的浪涌電流會影響保險絲、整流橋和電容的可靠性，因為該電流只受線路阻抗和輸入濾波器的限制。隨著適配器額定功率的增大，浪涌電流也隨之增大，往往需要使用NTC熱敏電阻來保護(hù)保險絲和二極管橋堆。然而，NTC熱敏電阻會降低系統(tǒng)的整體效率，并在輸入級增加一個發(fā)熱點(diǎn)。因此，保險絲和二極管橋堆通常尺寸規(guī)格都偏高，而熱敏電阻的尺寸規(guī)格都偏小，以減小其對系統(tǒng)效率的影響。
在MinE-CAP設(shè)計中，80%的大電容會在啟動時從電路斷開。在低輸入電壓啟動條件下(VIN<150VAC)，MinE-CAP對CLV進(jìn)行精確控制的主動充電。在低輸入電壓啟動條件下，在使能DC/DC變換器之前，必須對CLV進(jìn)行預(yù)充電以支持全功率能力。MinE-CAP IC將內(nèi)部高壓開關(guān)配置為電流源，為CLV提供精確、恒流的脈沖充電，請參見圖3。這種方法可以對CLV進(jìn)行快速充電，并確保電源在初始上電后不到250毫秒的時間內(nèi)就能提供全功率。對CLV采用這種可控充電方式，可以使MinE-CAP設(shè)計省去浪涌NTC熱敏電阻，這有助于消除發(fā)熱點(diǎn)和提高變換效率，從而改善整個系統(tǒng)設(shè)計。
對于高壓輸入應(yīng)用(VIN>150VAC)，僅CHV支持全功率輸出。MinE-CAP對CLV進(jìn)行緩慢充電，并將電壓調(diào)節(jié)到電容額定電壓以下。這樣可以改善因輸入電壓跌落而導(dǎo)致的電源維持時間。
保護(hù)特性
除精確啟動控制外，MinE-CAP還集成了一系列保護(hù)特性，包括過溫、引腳開路/短路故障檢測以及浪涌保護(hù)。如果發(fā)生故障，MinE-CAP會從系統(tǒng)中斷開CLV。為了防止系統(tǒng)進(jìn)一步損壞，MinE-CAP通過L引腳將故障信息傳送到功率變換級。在正常工作條件下，該多用途引腳還用于將直流母線電壓信息傳送到電源控制器IC。
總結(jié)
在通常只能使用額定值400V的電容的通用輸入設(shè)計中，MinE-CAP允許使用額定值160V的電容，所節(jié)省的空間相當(dāng)于采用更高的開關(guān)頻率所實現(xiàn)的空間。精確啟動控制無需使用NTC熱敏電阻，這并不會影響最終用戶的使用體驗。直流母線電壓和故障信息通過L引腳傳送到DC/DC變換器。將MinE-CAP與InnoSwitch IC系列器件搭配使用，可最大限度地提高集成度、減少元件數(shù)量、簡化布局并優(yōu)化電源尺寸。
相關(guān)閱讀：
1、新款MinE-CAP IC可將適配器的尺寸縮小40％2、Power Integrations推出全新MinE-CAP IC，可將AC-DC變換器的體積最多縮小40％
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