本文討論MinE-Cap，這是一種通過縮小電源輸入大容量電容器的尺寸來縮小AC-DC電源尺寸的新穎解決方案。這是以前從未做過的方法。大容量電容器是電源輸入處的能量存儲元件，可過濾并減少交流線路的紋波。輸入大容量電容器占電源總尺寸的很大一部分。尺寸取決于需要有足夠的電容來有效過濾低壓線路的輸入波形，以及高壓線路的額定電壓至少為400V。

介紹

通用輸入電源的輸入電壓范圍為90 V至265 V AC，經(jīng)過整流后，相當于直流電源軌上的大約100 V至400V。但是，當輸入電壓較低時，所需的存儲電容最高，因此該電容受低壓控制。高電壓和高電容的結(jié)合使大容量輸入電容器變得如此之大。

使用新的MinE-CAP方法，就不需要大型，高壓，高電容的設(shè)備。取而代之的是，選擇一個較小的，具有較低電容的400 V電容器，以便電源在高線路輸入下安全運行。與此并行的是，與新的MinE-Cap IC串聯(lián)使用了更大的電容，但額定電壓更低的電容器，以提供低線路輸入所需的額外存儲（圖1）。由于該電容器的額定電壓僅為160 V，因此與相同電容的等效400 V電容器相比，它的體積要小得多（約為體積的三分之一）。因此，電源輸入級的尺寸急劇縮小。

圖1：MinE-Cap IC提供低壓輸入所需的額外存儲

就電源的總輸入級而言，MinE-CAP有效地減少了約50％的電容器體積，這反過來又可以使總電源量減少多達40％。如果沒有MinE-CAP，這些電容器太大，以至于它們很難放置在電源外殼中，因此會對電源的整體體積產(chǎn)生不成比例的影響。

MinE-CAP采用了復雜的控制器，即使它看起來像是一個簡單的開關(guān)。它可以隨時準確地測量160 V電容器兩端的電壓。MinE-CAP IC在AC線路周期內(nèi)將160 V電容器切入和切出電路，并監(jiān)視和保護線路浪涌，從而使低壓電容器兩端的電壓始終在制造商的最大電壓極限之內(nèi)。

可靠性

MinE-Cap IC設(shè)計還有另外兩個非常重要的方面。首先，MinE-CAP使用通過Power Integrations的PowiGaN工藝制造的氮化鎵晶體管。該晶體管專為在截止條件下的極低泄漏電流而設(shè)計。當MinE-Cap在高線路輸入條件下關(guān)閉時，低泄漏尤為重要，以防止低壓電容器過度充電。

MinE-CAP架構(gòu)的第二個重要優(yōu)點是它對浪涌電流的影響。浪涌電流是對首次引入交流線路時流入電源的電流的度量。當有非常大的輸入大容量電容器時，將會有非常大的浪涌電流。在大多數(shù)電源中，這意味著必須包括一個負溫度系數(shù)（NTC）電阻。NTC器件在低溫下表現(xiàn)出高電阻，而在高溫下表現(xiàn)出低得多的電阻。因此，當引入AC線時，阻抗高，并且涌入電流減小。MinE-Cap消除了對NTC電阻的需求，因為在首次引入交流電流時，交流線路看到的唯一電容是來自低值400 V電容器。MinE-Cap IC是開路的，并在該初始接通點處阻止任何電流流入160 V電容器。隨后，它以低得多的電流和精確控制的電流為160 V電容器充電，從而使NTC電阻器具有冗余性并提高了電源效率。此外，通過減小涌入電流，還減小了橋式整流器上的應力。

設(shè)計簡單

MinE-Cap采用小型MinSOP-16A IC封裝，旨在僅需最少數(shù)量的外部組件。它還與Power Integrations的InnoSwitch系列電源IC無縫連接，如圖2所示。共有兩種連接方式：一種是連接到InnoSwitch的V引腳，允許MinE-CAP通過感應電阻將線路條件傳達到InnoSwitch。 ;?MinE-CAP從InnoSwitch旁路引腳BPP吸收能量。?

圖2：Power Integrations的InnoSwitch系列電源IC

為了簡化任何給定設(shè)計中400 V和160 V電容器的電容值的選擇，Power Integrations在MinE-CAP數(shù)據(jù)表中包括了一條選擇曲線。請參見圖3。x軸是電源的輸出功率，y軸是微法拉的電容，其中使用不同的頻帶描述了160 V和400 V器件的值。

圖3：電容與輸出功率

Power Integrations發(fā)現(xiàn)，對于輸出功率在35 W至70 W之間的設(shè)計，可以實現(xiàn)最大的尺寸減小。在70 W以上，通常將需要功率因數(shù)校正（PFC）輸入級，其升壓功能可確保大容量電容器始終處于高壓狀態(tài)，從而使MinE-Cap變得多余。但是，在諸如音頻放大器之類的應用中，對于短期峰值，峰值功率高于70 W，并且不需要PFC，在這種情況下，MinE-Cap在高得多的功率水平下是有益的。

超寬范圍電源

還有一類電源，MinE-Cap在減小整體尺寸方面更為有效：所謂的超寬范圍電源，其工作電壓范圍為90 VAC至400 V AC。這些電源通常用于新興市場，例如印度，在這些市場中，交流線路電壓容易出現(xiàn)較大的波動。超寬范圍電源輸入級比標準通用輸入電源復雜，因為整流電壓接近600 V DC。傳統(tǒng)的400 V電容器顯然已不再足夠。有一些額定值為600 V的昂貴電解電容器，但更常見的是，設(shè)計人員將堆疊兩個350 V或400 V電容器以達到必要的擊穿電壓，但代價是將每個堆疊的有效電容減半。

對于電源設(shè)計人員來說，這是一個真正的問題，因為低壓線路條件與普通的通用輸入電源90 VAC并無不同，后者需要大量的電容才能有效地過濾交流線路電壓紋波并有效地支持下游電源?，F(xiàn)在，由于對電壓的堆疊要求很高，并且串聯(lián)電容器的有效電容減小，因此您需要許多這種堆疊的高壓器件，這意味著大量電容器會進一步增加電源的尺寸。

在這里，MinE-CAP的好處更加明顯。與標準的通用輸入電源一樣，MinE-Cap可以為低線路條件增加電容，并且可以使用受益于V?2的小得多的堆疊電容器來適應高線路條件高線路電壓的能量存儲特性。圖4顯示，使用MinE-CAP進行的超寬范圍設(shè)計使用與標準通用輸入電源完全相同的160 V電容器，該電容器與以前的MinE-Cap串聯(lián)使用。CLV的電容值在這個超寬范圍內(nèi)沒有變化，因為它僅在低線路條件下需要時才引入。另一方面，400 V堆疊電容器可以大大縮小。在某些此類應用中，Power Integrations的整體電容器尺寸減小了60-65％。由于MinE-CAP PowiGaN氮化鎵開關(guān)的峰值額定電壓為750 V，因此MinE-CAP可以承受這些高壓。

圖4：超寬范圍電源

概括

通常用于減小電源尺寸的一種方法是增加開關(guān)頻率，從而需要更小的變壓器。但是，這種方法需要重新設(shè)計磁性器件，通常需要采用有源鉗位電路的更復雜的設(shè)計，以減少初級鉗位損耗。引入鉗位電路（通常會增加另一個GaN電源開關(guān)）所需的組件數(shù)量增加，從而增加了所需的電路板空間，并使結(jié)構(gòu)更具挑戰(zhàn)性。這種方法還增加了電源輸入上的EMI濾波器的尺寸。與之形成鮮明對比的是，MinE-CAP更改的唯一現(xiàn)有電路元件是電容器尺寸。主轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率不變，EMI濾波器通常不變。無需使用有損NTC器件來減小浪涌電流，并且減小了橋式整流器上的應力，從而進一步減小了尺寸并提高了可靠性。MinE-CAP電路完全不影響電源的輸出紋波，因此設(shè)計人員可以期望獲得與常規(guī)電源相同的低紋波輸出性能。MinE-CAP電源不僅效率更高，更小巧，更可靠，而且零件數(shù)量很少，因此提供了一種開發(fā)速度更快，更易于制造的電源。因此設(shè)計人員可以期望獲得與傳統(tǒng)電源相同的低紋波輸出性能。MinE-CAP電源不僅效率更高，更小巧，更可靠，而且零件數(shù)量很少，因此提供了一種開發(fā)速度更快，更易于制造的電源。因此設(shè)計人員可以期望獲得與傳統(tǒng)電源相同的低紋波輸出性能。MinE-CAP電源不僅效率更高，更小巧，更可靠，而且零件數(shù)量很少，因此提供了一種開發(fā)速度更快，更易于制造的電源。

編輯：hfy