如何将AC-DC变换器的体积缩小40％？PI有妙招!
2020-11-01
14:00:19
来源: 半导体行业观察
如果回到五年前，相信我们很难想象得到一个移动设备的充电器需要支持60W，甚至100W的功率。但从现在各大厂商的布局来看，这是一个不可逆转的发展方向。
为了实现这个高功率充电目标，类似USB PD/PPS和VOOC这样的智能充电协议相继被提出，这随之就带来了复杂的充电控制要求，进而增加电源的元件数目及复杂性。但与此同时，消费者则需要尺寸更小的适配器，这就需要制造更高效的电源，这就对适配器的设计提出了严峻的考验。
“从业人员一方面希望提高功率开关的效率，同时他们还想通过增加开关频率来降低尺寸”，PI资深技术培训经理Jason Yan表示。
在前者方面，PI推出的PowiGaN功率开关就能显著提升功率开关的效率，同时为了避免高压时候热量产生的影响，PI还为InnoSwitch 3器件引入了“热折返”特性。
“然而来到开关频率方面。随着频率增加，变压器的体积固然会变小，但与此同时，整个系统的EMI会变差，这就需要引入更大的输入端滤波器”，Jason Yan强调。
“频率增加以后，开关损耗要增加，那就要求开发者必须增加有源嵌位电路以降低缓冲电路及开关的损耗；再者，要达到更高的峰值输出功率，那就需要更大容量的输入电容，而这本身就是一个体积比较大的元器件”，Jason Yan接着说。具体原理可以从下图洞悉。
“如上图所示，在低压的情况下，如果想达到相同的储能，则需要多达四倍的容量”，Jason Yan说。“这就要求输入滤波电容在宽电压的低压时需要提供更大的容量，高压时则要求有更高的耐压”，Jason Yan指出。按照他的说法，因为要兼顾高耐压和大容量，所以传统设计的电容会越做越大。而为了解决以上问题，PI推出了创新的MinE-CAP，帮助降低适配器设计的尺寸。而所谓的MinE-CAP，就是电解电容的最小化 。
和其他的设计方案不一样，PI在电路的输入端加入了一个低耐压的电解电容，并通过一个PowiGaN开关连接到母线的两端，在输入电压比较低，需要较大容量的时候，就把开关打开，让新增的这个低耐压电容与原本设计的电容并联，增加电容的容量，保证低压情况下的电容储能能力。
“为了避免高电压的时候，对低耐压电容造成损害，我们为整个系统引入了一个监测电路，监测母线电压。在其大到一定程度的时候 ，直接将电路断开，保证低耐压电解电容”，Jason Yan说。“MinE-CAP的作用是监测母线电压，判断是否需要将电容连入到电路中”，Jason Yan强调 。这样的设计还有两个明显优势，分别是降低浪涌电流和增加总的容量。
“MinE-CAP IC允许设计人员在很大一部分储能中主要使用低电压额定电容，这样可以使这些元件的体积随电压线性缩小。”Power Integrations产品营销总监Chris Lee表示。据介绍，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，这有助于省去NTC热敏电阻，提高系统效率，并减少热耗散。
新器件还采用了微型MinSOP-16A封装，相对于空间利用率很高的InSOP-
24封装进一步缩小了50%。他还可以与Power Integrations的InnoSwitch系列电源IC无缝配合，降低外部元件的数量。
得益于这个创新的设计 ，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，并且避免与高频设计相关的变压器/箝位损耗增加的挑战。它的应用范围包括智能手机充电器、家电、电动工具、照明和汽车。
Power Integrations印度分公司销售总监Bhaskar Thiagaragan也表示：“MinE-CAP IC支持宽范围输入电压，适用于几乎所有的地区。在印度，我们的设计通常适用于90VAC至350VAC输入电压范围，并在此基础上设置充足的浪涌降额。这里的工程师经常抱怨需要使用各种昂贵的高压电容。MinE-CAP可大幅减少高压储能元件的数量，并使低电压电容免受电网电压剧烈波动的影响，从而大大增强耐用性，同时减少系统维护和产品返修。
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