使用 GaN IC 离线电源的大容量电容器优化

【导读】额定功率75W以下的适配器可细分为：输入滤波器、二极管整流器、输入输出电容器、IC控制器、辅助电源、磁性元件、功率器件和散热器。集成解决方案在缩小和简化转换器方面已经取得了长足的进步，目前的剩余组件是磁性元件、输入“大容量”电容器、输出电容器和 EMI 输入级。大量的研究和工程工作集中在高频交流/直流转换器设计上，以减小磁性元件的尺寸。然而，输入大容量电容器占据与适配器内的磁性元件相同或更大的体积。

额定功率75W以下的适配器可细分为：输入滤波器、二极管整流器、输入输出电容器、IC控制器、辅助电源、磁性元件、功率器件和散热器。集成解决方案在缩小和简化转换器方面已经取得了长足的进步，目前的剩余组件是磁性元件、输入“大容量”电容器、输出电容器和 EMI 输入级。大量的研究和工程工作集中在高频交流/直流转换器设计上，以减小磁性元件的尺寸。然而，输入大容量电容器占据与适配器内的磁性元件相同或更大的体积。

Power Integrations 的新型 IC MinE-CAP 旨在解决通用输入设计的输入大容量电容优化问题。利用 Power Integrations 的 PowiGaN 氮化镓技术，MinECAP 可以安全地将额定电压为 160 V 的电容器用于通用输入设计，从而将大容量电容器体积减少高达 50%。

MinE-CAP 是与低压电容器（图 1 中的 CLV）串联的低阻抗开关电路。它监视 CLV 两端的电压，并在输入线路电压在阈值附近增加/减少时连接和断开电容器。MinE-CAP 电路可与高频功率转换级配合使用，以限度地节省空间。

系统注意事项

通用电源适配器的经验法则是，当设计考虑因素低至 90 VAC 时，直流总线电容值（以 ?F 为单位）选择为输出功率要求（以瓦特为单位）的 1.5 至 2 倍。对于仅高线路应用，总电容可以显着降低。考虑到这一关键概念，MinE-CAP 使设计人员能够显着减小输入大容量电容器的尺寸。下图显示了典型 MinE-CAP 应用的原理图布局。

图 1. 典型 MinE-CAP 应用

CHV 是高压电容器（额定电压为 400 V），通常占总电容的 20% 左右。CLV是低压电容器（160V），约占总电容的80%。这种电容分割使电容器体积减少高达 50%，从而使适配器尺寸总体减少高达 40%。

图 2. 65 W 适配器的优化

在图 2 中，上图是典型的 65 W 适配器，需要单个 400 V、100 ?F 电容器。下图显示了在完全相同的 65 W 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 160 V、47 F 电容器和一个 400 V、22 ?F 电容器。因此，总电容实际上增加了 16%，同时大容量电容器体积减少了 40%。

典型应用

设计人员可以采用现有设计并修改输入大容量电容器级，以减少输入级占用的空间。这使得他们能够缩小外壳，或者相反，他们可以在同一外壳中添加更多电容并增加功率。

MinE-CAP 的另一个设计用途是需要峰值功率传输的应用。板载协议芯片越来越多地与正在充电的设备进行双向通信。这些芯片通常监控并适配器温度、故障和电力传输能力。设计人员正在利用这种双向通信来提供铭牌功率的 1.5 至 2 倍。这些峰值功率算法显着缩短了充电时间。然而，输入大电容限制了峰值功率传输能力。借助 MinE-CAP，可以使用相同的空间显着增加输入大容量电容。即使在低压线路下，这也能延长峰值功率传输。

MinE-CAP 基础知识

MinE-CAP 的工作原理是充电和监控 CLV 两端的电压，仅在需要输入电容时才将该电容器引入低交流线路的电路中。MinECAP 设计用于根据需要在每个线路交流周期期间动态接合和断开 CLV。因此，电源可以在整个指定的输入电压范围内平稳运行。对于图 2 中引用的设计，有效低线路总大容量电容为 116 ?F，而有效高线路大容量电容为 22 ?F。

当系统处于高线路时，MinE-CAP 通过 VTOP 和 VBOT 测量 CLV 上的差分电压。它调节 CLV 上的电压，以在发生线路或负载阶跃时支持电力传输。

MinE-CAP 启动

传统上，启动时进入大容量电容器的浪涌电流会影响保险丝、桥式整流器和电容器的可靠性，因为该电流仅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加，浪涌电流也会增加，通常需要使用 NTC 热敏电阻来保护保险丝和二极管电桥。然而，NTC 热敏电阻降低了系统的整体效率，并为输入级增加了热点。因此，保险丝和二极管桥通常尺寸过大，而热敏电阻尺寸过小，以限制其对系统效率的影响。

在 MinE-CAP 设计中，80% 的大容量电容在启动时脱离应用。在低压启动条件下 (VIN < 150 VAC)，MinE-CAP 对 CLV 执行控制的主动充电。在低线路启动条件下，在启用 DC/DC 转换器之前对 CLV 进行预充电以支持全功率能力非常重要。MinE-CAP IC 将内部高压开关配置为电流源，为 CLV 提供的恒流脉冲充电，请参见图 3。这种方法允许对 CLV 进行快速充电，并确保电源准备好供电从初始交流线路连接起，不到 250 毫秒即可充满电。CLV 的这种受控充电允许 MinE-CAP 设计消除浪涌 NTC 热敏电阻，

对于高线路应用 (VIN > 150 VAC)，CHV 单独支持全功率传输。MinE-CAP 对 CLV 进行缓慢充电，并将电压调节到低于电容器额定电压。这改善了由于线路断电而导致的电源保持时间。

保护特性

除了的启动算法外，MinE-CAP 还集成了一系列保护功能，包括过温、引脚开路/短路故障检测和浪涌保护。如果发生故障，MinE-CAP 会将 CLV 从系统中断开。为了防止进一步的系统损坏，MinE-CAP 通过 L 引脚将故障信息传送到功率转换级。该多用途引脚还用于在正常工作条件下将直流总线电压信息传送至电源控制器 IC。

概括

GaN 供电的 MinE-CAP 支持在通用输入设计中使用额定电压为 160V 的电容器，而这些设计通常仅限于额定电压为 400V 的电容器，从而节省的空间相当于采用更高开关频率所实现的效果。的启动算法无需使用 NTC 热敏电阻，且不会影响终用户体验。直流母线电压和故障信息通过 L 引脚传送至 DC/DC 转换器。将 MinE-CAP 与 InnoSwitch IC 系列配对可限度地提高集成度、限度地减。

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