本文討論了MinE-Cap，這是一種通過縮小電源輸入大容量電容器尺寸來縮小 AC-DC 電源尺寸的新穎解決方案。這是一種前所未有的方法。大容量電容器是電源輸入端的能量存儲元件，可過濾并減少交流線路的紋波。輸入大容量電容器是電源整體尺寸的很大一部分。大小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，以及需要額定 400 V（至少）高壓線路。

介紹

通用輸入電源的輸入電壓范圍為 90 V 至 265 V AC，在整流后相當于直流軌上的大約 100 V 至 400 V。然而，當輸入電壓低時，所需的存儲電容最高，因此電容受低電壓控制。正是高電壓和高電容的結(jié)合使得大容量輸入電容器如此之大。

使用新的 MinE-CAP 方法，不需要非常大的、高電壓、高電容的設(shè)備。取而代之的是，選擇具有更低電容的小得多的 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，一個大得多但額定電壓更低的電容器與新的 MinE-Cap IC 串聯(lián)使用，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——大約是體積的三分之一。因此，電源輸入級的尺寸急劇縮小。

圖 1：提供低線路輸入所需的額外存儲的 MinE-Cap IC

在電源的整體輸入級方面，MinE-CAP有效地減少了約50%的電容器體積，進而可以將整體電源體積減少多達40%。如果沒有 MinE-CAP，這些電容器非常大，難以在電源外殼中定位，因此會對電源的整體體積產(chǎn)生不成比例的影響。

MinE-CAP 使用了一個復雜的控制器，即使它看起來像一個簡單的開關(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 線路周期期間將 160 V 電容器切換到電路中或從電路中切換出來，并監(jiān)控和防止線路浪涌，從而使低壓電容器兩端的電壓始終處于制造商的最大電壓限制范圍內(nèi)。

可靠性

MinE-Cap IC 設(shè)計還有兩個非常重要的方面。首先，MinE-CAP 使用采用 Power Integrations 的 PowiGaN 工藝制造的氮化鎵晶體管。該晶體管專為在關(guān)斷條件下實現(xiàn)極低的漏電流而設(shè)計。當 MinE-Cap 在高線路輸入條件下關(guān)閉時，低泄漏尤其重要，以防止低壓電容器過度充電。

MinE-CAP 架構(gòu)的第二個顯著優(yōu)勢是它對浪涌電流的影響。浪涌電流是首次引入交流線路時流入電源的電流的量度。當有一個非常大的輸入大容量電容器時，將會有一個非常大的浪涌電流。在大多數(shù)電源中，這意味著必須包含負溫度系數(shù) (NTC) 電阻器。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，當引入交流線路時，阻抗較高，浪涌電流減小。MinE-Cap 消除了對 NTC 電阻器的需要，因為當首次引入 AC 電流時，AC 線路看到的唯一電容來自低值 400 V 電容器。MinE-Cap IC 是開路的，可在初始開啟點阻止任何電流流入 160 V 電容器。隨后，它以低得多且精確控制的電流為 160 V 電容器充電，從而使 NTC 電阻器變得多余并提高電源效率。此外，通過降低浪涌電流，橋式整流器上的應力也降低了。

設(shè)計簡單

MinE-Cap 采用小型 MinSOP-16A IC 封裝，旨在只需要最少數(shù)量的外部組件。它還可以與 Power Integrations 的 InnoSwitch 系列電源 IC 無縫連接，如圖 2 所示。有兩種連接：一種是連接到 InnoSwitch 的 V 引腳，允許 MinE-CAP 通過檢測電阻器將線路狀況傳達給 InnoSwitch ; MinE-CAP 從 InnoSwitch 旁路引腳 BPP 汲取能量。?

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 電容器電容值的選擇，Power Integrations 在 MinE-CAP 數(shù)據(jù)表中包含了一個選擇曲線。請參見圖 3。x 軸是電源的輸出功率，y 軸是以微法拉為單位的電容，160 V 和 400 V 設(shè)備的值使用不同頻段描述。

圖 3：電容與輸出功率

Power Integrations 發(fā)現(xiàn)，輸出功率介于 35 W 和 70 W 之間的設(shè)計可實現(xiàn)最大尺寸減小。高于 70 W 通常需要功率因數(shù)校正 (PFC) 輸入級，其升壓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。然而，在音頻放大器等應用中，短期峰值的峰值功率高于 70 W 且不需要 PFC，在這些情況下，MinE-Cap 在更高的功率水平下是有益的。

超寬范圍電源

還有一類電源，其中 MinE-Cap 在減小整體尺寸方面更加有效：所謂的超寬范圍電源，可在 90 VAC 到 400 VAC 之間運行。這些電源通常用于交流線路電壓容易出現(xiàn)大幅波動的新興市場，例如印度。超寬范圍電源輸入級比標準通用輸入電源更復雜，因為整流電壓接近600 V DC。傳統(tǒng)的 400 V 電容器顯然不再足夠。有額定電壓為 600 V 的昂貴電解電容器，但更常見的是，設(shè)計人員會堆疊兩個 350 V 或 400 V 電容器以實現(xiàn)必要的擊穿電壓，代價是每個堆疊的有效電容減半。

這對電源設(shè)計人員來說是一個真正的問題，因為低壓線路條件與正常的 90 VAC 通用輸入電源沒有什么不同，后者需要大量電容來有效過濾 AC 線路電壓紋波并有效地支持下游電源。現(xiàn)在，由于非常高的電壓堆疊要求和串聯(lián)電容器的有效電容降低，您需要許多這些堆疊的高壓設(shè)備，這意味著大量的電容器進一步增加了電源的尺寸。

在這里，MinE-CAP 的好處更加明顯。與標準通用輸入電源一樣，MinE-Cap 可以為低壓線路條件增加電容，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壓線路條件高線電壓的儲能特性。圖 4 顯示，這種使用 MinE-CAP 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，與之前的 MinE-Cap 串聯(lián)。CLV 的電容值在這個超寬范圍內(nèi)沒有什么不同，因為它只在低壓線路條件下需要時才引入。另一方面，400 V 堆疊電容器可以小得多。Power Integrations 在某些此類應用中的整體電容器尺寸減少了 60-65%。MinE-CAP 可承受這些高電壓，因為 MinE-CAP PowiGaN 氮化鎵開關(guān)的峰值電壓額定值為 750 V。

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。然而，這種方法需要重新設(shè)計磁性元件，通常需要更復雜的設(shè)計，包括有源鉗位電路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)）所需的組件增加，從而增加了所需的電路板空間，并使構(gòu)建更具挑戰(zhàn)性。這種方法還增加了電源輸入端 EMI 濾波器的尺寸。與之形成鮮明對比的是，MinE-CAP 改變的唯一現(xiàn)有電路元件是電容器尺寸。主變換器的開關(guān)頻率不變，EMI濾波器常不變。對于有損耗的 NTC 器件，不需要降低浪涌電流，并且橋式整流器上的應力也降低了，從而進一步縮小了尺寸并提高了可靠性。電源的輸出紋波完全不受 MinE-CAP 電路的影響，因此設(shè)計人員可以期待與傳統(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，而且部件數(shù)量更少——因此提供了一種開發(fā)速度更快、制造更容易的電源。因此設(shè)計人員可以期待與傳統(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，而且部件數(shù)量更少——因此提供了一種開發(fā)速度更快、制造更容易的電源。因此設(shè)計人員可以期待與傳統(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，而且部件數(shù)量更少——因此提供了一種開發(fā)速度更快、制造更容易的電源。

審核編輯：郭婷