【導讀】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分市場的電源適配器實現標準化。旅行者需要為筆記本電腦和手機攜帶單獨的適配器的日子已經一去不復返了。非原廠適配器制造商正集中精力應對這一新的市場機會，力爭占據一席之地。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取得了長足的進步，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計的輸入大電容的優(yōu)化問題。MinE-CAP可確保在通用輸入設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)設計要點
通用電源適配器的經驗法則是，當設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用，總電容可以大大降低。基于這一設計原理，MinE-CAP可以幫助設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應用的電路原理圖。
圖1：典型的MinE-CAP應用
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適配器設計中使用MinE-CAP所實現的空間節(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
典型應用
設計人員可以采用現有設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的另一個設計用途是要求峰值功率輸出的應用。越來越多的板上協(xié)議芯片與被充電設備進行雙向通信。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。設計人員正在利用這種雙向通信，提供1.5至2倍的標稱功率。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能夠根據需要在每個工頻周期內動態(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都能平穩(wěn)工作。對于圖2所示的設計，有效的低輸入電壓大電容總容量為116µF，而有效的高輸入電壓大電容總容量為22µF。
當系統(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。它可調節(jié)CLV上的電壓，以在出現輸入電壓或負載階躍時支持功率輸出。
MinE-CAP的啟動
在傳統(tǒng)設計中，啟動時，進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。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進行預充電以支持全功率能力。MinE-CAP IC將內部高壓開關配置為電流源，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設計省去浪涌NTC熱敏電阻，這有助于消除發(fā)熱點和提高變換效率，從而改善整個系統(tǒng)設計。
對于高壓輸入應用(VIN>150VAC)，僅CHV支持全功率輸出。MinE-CAP對CLV進行緩慢充電，并將電壓調節(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致的電源維持時間。
保護特性
除精確啟動控制外，MinE-CAP還集成了一系列保護特性，包括過溫、引腳開路/短路故障檢測以及浪涌保護。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
在通常只能使用額定值400V的電容的通用輸入設計中，MinE-CAP允許使用額定值160V的電容，所節(jié)省的空間相當于采用更高的開關頻率所實現的空間。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、減少元件數量、簡化布局并優(yōu)化電源尺寸。
注：原載于Bodo''''''''''''''''s 功率系統(tǒng)，2021年8月17日，作者：Chris Lee，Power Integrations產品推廣總監(jiān)
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