本文將探討MinE-Cap器件。這是一種通過(guò)縮小電源的輸入大電容尺寸來(lái)縮小AC-DC電源尺寸的創(chuàng)新解決方案。這種方法以前從未有人使用過(guò)。大電容是電源輸入端的儲(chǔ)能元件，用于濾波以減少來(lái)自交流線路的紋波。輸入大電容在整個(gè)電源的體積中占有很大的比重。其尺寸取決于低輸入電壓下對(duì)輸入進(jìn)行有效濾波所需的足夠大的電容容量，同時(shí)也需要滿足高輸入電壓下400V（至少）的額定電壓。

通用輸入電源的輸入電壓范圍為90VAC至265VAC，經(jīng)過(guò)整流后，相當(dāng)于大約為100V至400V的直流母線電壓。但是，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，所需的儲(chǔ)能電容容量卻是最高的，因此電容容量的大小取決于最低的輸入電壓。正是由于大電容要滿足高耐壓和高容量，才使得大容量輸入電容體積如此之大。

采用新的MinE-CAP方法，就不需要非常大的高壓高容量電容器件。只需選擇一個(gè)尺寸小得多的低容值400V電容，電源就能在高輸入電壓下安全工作。再使用一個(gè)容值更大但額定電壓更低的電容與之并聯(lián)，這個(gè)大容值電容與新的MinE-Cap IC串聯(lián)，可提供低輸入電壓所需的額外儲(chǔ)能容量（參見(jiàn)圖1）。由于該電容的額定電壓僅為160V，因此它的體積比相同容值的400V電容器小得多，約為其體積的三分之一。因此，電源的輸入級(jí)尺寸得以大幅縮小。

就電源的整體輸入級(jí)而言，MinE-CAP可有效縮小約50%的電容體積，進(jìn)而將電源的總體積縮小高達(dá)40%。如果不使用MinE-CAP，這些電容就會(huì)非常大，以至于難以放置到電源殼體內(nèi)，因此會(huì)對(duì)電源的總體積產(chǎn)生不成比例的影響。

MinE-CAP采用了精密的控制器，盡管看似一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)。它可以隨時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量160V電容兩端的電壓。MinE-CAP IC可以在一個(gè)工頻周期內(nèi)將160V電容切入和切出電路，并監(jiān)測(cè)輸入浪涌和提供保護(hù)，從而使低壓電容兩端的電壓始終在生產(chǎn)廠商的最大電壓限值之內(nèi)。

一、可靠性

MinE-Cap IC設(shè)計(jì)中還有兩個(gè)非常重要的方面。首先，MinE-CAP所使用的氮化鎵晶體管采用Power Integrations的PowiGaN工藝制造而成。該晶體管是專門(mén)為關(guān)斷狀態(tài)下的極低漏電流設(shè)計(jì)的。在高輸入電壓下，當(dāng)MinE-Cap關(guān)斷時(shí)，漏電流低的特性尤為重要，這樣可避免對(duì)低壓電容過(guò)度充電。

MinE-CAP架構(gòu)的第二個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是其對(duì)浪涌電流的影響。浪涌電流是指當(dāng)交流電首次上電時(shí)電源輸入端所測(cè)量得到的電流。當(dāng)您有一個(gè)非常大的輸入大電容時(shí)，就會(huì)具有很高的輸入浪涌電流。在大多數(shù)電源中，這意味著您必須引入一個(gè)名為負(fù)溫度系數(shù)（NTC）電阻的元件。NTC器件在低溫時(shí)電阻很大，高溫時(shí)電阻就小得多。因此，當(dāng)交流電上電時(shí)，電阻較高，浪涌電流得以被限制減小。

而使用MinE-CAP后則完全不需要NTC，因?yàn)榻涣麟娛状紊想姇r(shí)，交流電所需要充電的電容僅為低容值的400V電容。MinE-CAP是開(kāi)路的，它可在初次上電時(shí)阻止任何電流流入160V電容。隨后，MinE-CAP以受到很好控制的、更低的電流變化率對(duì)160V電容進(jìn)行充電，這樣就完全不需要NTC，并且還能提高電源的效率。此外，通過(guò)減小浪涌電流，還可以降低整流橋的應(yīng)力。

二、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

MinE-Cap采用小型MinSOP-16A IC封裝，設(shè)計(jì)電路時(shí)只需要極少的外圍元件。它還可以與Power Integrations的InnoSwitch系列電源IC平滑對(duì)接，如圖2所示。有兩個(gè)連接：一個(gè)連接至InnoSwitch開(kāi)關(guān)的V引腳，MinE-CAP通過(guò)檢測(cè)電阻將輸入電壓信息傳遞至InnoSwitch；另外，MinE-CAP從InnoSwitch開(kāi)關(guān)的旁路引腳BPP取電。

為了簡(jiǎn)化任何給定設(shè)計(jì)中400V和160V電容的電容值選擇，Power Integrations在MinE-CAP數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供了一條選擇曲線。請(qǐng)參見(jiàn)圖3。其中X軸是電源的輸出功率，Y軸是電容容量，單位為微法拉，160V和400V器件的數(shù)值用不同的區(qū)段標(biāo)示。

圖3

Power Integrations發(fā)現(xiàn)，輸出功率在35W到70W之間的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)最大的尺寸縮小。高于70W時(shí)，通常將需要增加功率因數(shù)校正（PFC）輸入級(jí)，其升壓功能可確保大電容電壓始終處于高壓狀態(tài)，這樣MinE-Cap無(wú)法起到其應(yīng)有的作用。然而，在諸如音頻放大器等應(yīng)用中，盡管其電源的瞬態(tài)峰值功率可能在70W以上，但往往也不需要有前級(jí)PFC線路，在這種情況下，即使輸出功率較高，MinE-Cap也能發(fā)揮出其降低電源尺寸的好處。

三、超寬輸入范圍電源

還有一類電源，MinE-Cap在縮小整體尺寸方面更為有效：即所謂的超寬輸入范圍電源，其工作電壓在90VAC至最高400VAC之間。這些電源通常用于新興市場(chǎng)，例如印度，在這些市場(chǎng)中，交流輸入電壓容易出現(xiàn)較大的波動(dòng)。超寬輸入范圍電源的輸入級(jí)比標(biāo)準(zhǔn)通用輸入電源更復(fù)雜，因?yàn)檎麟妷航咏?00VDC。傳統(tǒng)的400V電容顯然已經(jīng)不能滿足需要。如果采用額定電壓為600V的電解電容，但其價(jià)格昂貴。設(shè)計(jì)人員更常采用的方法是，將兩個(gè)350V或400V的電容串聯(lián)疊加在一起使用，以達(dá)到必要的擊穿電壓要求，但代價(jià)是電容串聯(lián)后其在電路中的等效容量會(huì)相應(yīng)減半。

這對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，因?yàn)榈洼斎腚妷簵l件與普通的通用輸入電源90VAC沒(méi)有什么區(qū)別，此時(shí)需要足夠大的電容容量來(lái)有效地過(guò)濾交流輸入電壓紋波，并為后級(jí)電路提供有效的功率。現(xiàn)在，由于電容進(jìn)行串聯(lián)疊加連接以滿足高耐壓要求的情況下，電容在電路中的等效容量減小了，因而需要許多組這樣疊加的電容電路并聯(lián)以達(dá)到所需的容量，這樣就進(jìn)一步增加了電源的尺寸。

此時(shí)，MinE-CAP的優(yōu)勢(shì)就更加明顯了。與標(biāo)準(zhǔn)的通用輸入電源一樣，MinE-Cap可以在低輸入電壓條件下增加容量，而在高輸入電壓條件下可以使用小得多的疊加電容，這得益于高輸入電壓的V2儲(chǔ)能特性。

從圖4 可以看出，這種超寬范圍MinE-CAP設(shè)計(jì)所使用的160V電容與標(biāo)準(zhǔn)通用輸入電源完全相同，與之前一樣，該電容與MinE-CAP串聯(lián)。在這個(gè)超寬輸入范圍內(nèi)，CLV的電容值并沒(méi)有什么不同，因?yàn)橹挥性诘洼斎腚妷簵l件下需要時(shí)才會(huì)引入。另一方面，400V的疊加電容可以大幅縮小。在部分此類應(yīng)用中，Power Integrations提供的參考設(shè)計(jì)已可將整個(gè)電容尺寸減小60-65%。由于MinE-CAP內(nèi)部的PowiGaN氮化鎵開(kāi)關(guān)的峰值電壓額定值為750V，因此MinE-CAP可承受這些高電壓，滿足超寬輸入電壓范圍的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

四、總結(jié)

為縮小電源尺寸，經(jīng)常采用的一種方法是提高開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)而可以使用更小的變壓器。然而，這種方法需要重新設(shè)計(jì)磁性元件，通常還會(huì)涉及到一些更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，包括有源箝位電路，以減少初級(jí)箝位損耗。使用有源箝位（通常會(huì)增加另一個(gè)氮化鎵功率開(kāi)關(guān)）意味著元件數(shù)量更多，增加所需的電路板空間，并使電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。這種方法也會(huì)增加電源輸入端的EMI濾波器的尺寸。

與此形成鮮明對(duì)比的是，使用MinE-CAP后在現(xiàn)有電路中改變的僅僅是輸入電容的大小。主變換器的開(kāi)關(guān)頻率無(wú)需變化，EMI濾波器通常也無(wú)需變化。無(wú)需使用有損耗的NTC器件來(lái)減小浪涌電流，并且還會(huì)降低整流橋上的應(yīng)力，從而進(jìn)一步減小尺寸并提高可靠性。MinE-CAP電路完全不影響電源的輸出紋波，因此設(shè)計(jì)人員可以獲得與傳統(tǒng)電源相同的低紋波輸出性能。MinE-CAP電源不僅效率更高、體積更小、更可靠，還能保持非常少的元件數(shù)，因此這種電源的開(kāi)發(fā)速度更快、更易于制造。
編輯：lyn