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缩小电源体积从电容做起,PI发布MinE-CAP IC 使得大电容的尺寸减半

关键词:PI MinE-CAP电容

时间:2020-11-06 15:42:13      来源:中电网

电子产品小型化的趋势决定着电源适配器也必须跟的上小型化、智能化、高效率的步伐,无论是设备厂商还是芯片厂商都在极力朝这个方向迈进。那如何满足用户对电源适配器即小尺寸又高效率的需求呢?市场上通常以提高开关频率来缩小反激式变压器的尺寸,从而缩小适配器的尺寸,但事实上除了缩小变压器外,电容的占板面积也是不可忽视的,一旦电容的直径减小,就会大大增加空间的利用率,那么如何将电容直径缩小又可以提升效率呢?为了解

电子产品小型化的趋势决定着电源适配器也必须跟的上小型化、智能化、高效率的步伐,无论是设备厂商还是芯片厂商都在极力朝这个方向迈进。那如何满足用户对电源适配器即小尺寸又高效率的需求呢?市场上通常以提高开关频率来缩小反激式变压器的尺寸,从而缩小适配器的尺寸,但事实上除了缩小变压器外,电容的占板面积也是不可忽视的,一旦电容的直径减小,就会大大增加空间的利用率,那么如何将电容直径缩小又可以提升效率呢?为了解决这一问题,深耕于高压集成电路高能效功率转换领域的知名公司Power Integrations发布出适用于高功率密度、通用输入AC-DC变换器的MinE-CAP™ IC。“这种新型IC可将离线电源所需的高压大容量电解电容器的尺寸减半,使得适配器的尺寸最多缩小40%。MinE-CAP器件还可大幅减小浪涌电流,有助于省去NTC热敏电阻,提高系统效率,并减少热耗散。”PI 资深技术培训经理阎金光先生在发布会上说。MinE-CAP MIN1072M已量产,并在市场上投入使用。

降低电源尺寸面临的挑战

一款高功率的适配器注定要加入智能化的设计,这就需要利用充电协议对输出特性做出相应的调整来实现精准快速的充电,这些是需要通过软件来完成的,而软件的指令来自充电器的负载,当充电控制变得越来越复杂时,无形中增加了很多元器件的数目,如此一来电源的复杂性和面积都在相应的增加,如何面对市场需求所带来的挑战呢?PI一直前行在创新的道路上,并且早已为电源小型化打下的基础。

众所周知,功率开关在电源效率提高,体积做小的过程中是一个至关重要的器件。许多的损耗也是来自功率器件。GaN(氮化镓)技术凭借其禁带宽度大、导热率高、耐高温、高硬度等特性已逐渐被应用到电子产品,比如充电器。PI 将该公司的PowiGaN 功率开关集成到InnoSwitch3中,PowiGaN 有更低的导通电阻,更低的开关损耗,因此无需散热片和导热片,极大的改善了电源的尺寸。同时在InnoSwitch3中还引入了“热折返”的特性。举个例子,一个功率输出为20W的电源设计,由于温升的增加,需要将功率由20W下调为15W, 虽然电源的温升下降了,但并不影响使用特性。这种热折返需要精确的监测功率开关内部的温度才可实现,PI将芯片集成在功率MOS管中,实现了精准的监测。当具备热折返特性后,便不必考虑电源在输出极端情况下的应力要求。

除此以外市场上更多的是通过提升开关频率来降低尺寸,但同时也会增加电磁干扰,从而需要滤波器的介入,造成批量生产中得不到很好的一致性。不但不能进一步缩小尺寸,还会造成成本上的增大。另一方面,当频率增加后,为避免开关损耗的增加,需要借助有源箝位电路以降低缓冲电源及开关的损耗,同样的问题,占板空间以及成本都会相应加大。

MinE-CAP工作原理

MinE-CAP来了,它解决了以上种种问题,PI的目标是把电解电容做到最小化,那么他们又是如何实现的呢?阎先生告诉记者,与传统电路设计不同的是,他们在输入端设有两个电容,其一是小容量高压电容,另一个为容量大的低压电容,通过PowiGaN开关将低压电容接入直流母线,当有更大容量需求时,换句话说当输入电压较低时,此开关打开,两个电容并联使用,增加了容量,保证了更高峰值功率的输出能力。当然设计师不必担心当输入电压增高,电容耐压除低后,电容的损坏问题。MinE-CAP的作用就是用来判断当前母线电压的使用条件,当母线电压用量达到一定程度时,电容会被自动断掉,MinE-CAP IC随时根据实际用量来做出控制,并且可以降低浪涌电流。这种方法可大幅缩小输入大容量电容的尺寸,而不会影响输出纹波、工作效率或无需重新设计变压器。

MinE-CAP工作原理图:

下图可见MinE-CAP 可将大容量电容的体积缩减50%。

MinE-CAP采用MinSOP-16(SMT)封装,相对于空间利用率很高的InSop-24封装进一步缩小了50%。

前面提到,MinE-CAP无需浪涌抑制电路并降低了输入级电路的应力。阎先生进一步解释说,传统设计中,当浪涌电流较大时,需要采用两个整流桥,而MinE-CAP将冲击电流变小,只需一个整流桥即可。另外,以往设计为了降低浪涌电流,需要在线路中增加一个抑制浪涌的NTC(负温度系数电阻),当冷态开机,阻抗比较大时NTC起到抗浪涌的目的。采用MinE-CAP后,不用担心浪涌电流带来的影响,也可省去NTC,同时在启动期间降低整流桥和保险丝的应力。

MinE-CAP与InnoSwitch3/Pro器件可完美协同工作

MinE-CAP与InnoSwitch3/Pro器件可完美协同工作,为V引脚提供输入电压信息。在InnoSwitch3上有个V引脚,传统的使用方法是串联一组电阻到母线端,起到检测母线电压的作用。MinE-CAP的L引脚与InnoSwitch3的V引脚可以无缝连接。如此,InnoSwitch3仍然可以检查到母线电压的工作状态。当然,如果设计师没有选择InnoSwitch3,而是选用了其他的厂家芯片的话,也是可以协同工作的,只是需要提供一个外部供电。

MinE-CAP更适合做超薄的设计,可将一个65W的电源设计做到信用卡大小的薄厚。电源薄厚除了变压器外,有时也受限于电容的直径,如果采用高低压搭配的方式,电容的直径就变小了,可利用的空间也就更大了,阎先生说。

不惧严酷的用电环境

MinE-CAP适合各种用电环境。拿印度国家来说,大家都知道印度的电力供电不够稳定,通常他们在设计中会将两个电容叠加串联使用。例如将两个22µF 400V电容相加,可得到800V电压,但随之带来一个问题是电容串联后容量减半,如果想达到110µF的总的输入滤波容量,需要有20个22µF的电容串联后再分别并联,所以印度厂商很难将电源体积做小。这对于MinE-CAP是一个很大的机会,采用MinE-CAP后只需6个电容就可以做到116µF的低压容量,不但降低了成本,还缩小了体积。

创新的MinE-CAP IC不仅可以大幅缩小电源的整体尺寸,同时还能减少元件数,降低EMI,并且避免了与高频设计相关的变压器/箝位损耗增加的挑战,主要应用在智能手机充电器、家电、电动工具、照明和汽车。

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