关于缩小电源尺寸的新方案解析

本文将探讨MinE-Cap器件。这是一种通过缩小电源的输入大电容尺寸来缩小AC-DC电源尺寸的创新解决方案。这种方法以前从未有人使用过。大电容是电源输入端的储能元件，用于滤波以减少来自交流线路的纹波。输入大电容在整个电源的体积中占有很大的比重。其尺寸取决于低输入电压下对输入进行有效滤波所需的足够大的电容容量，同时也需要满足高输入电压下400V（至少）的额定电压。

通用输入电源的输入电压范围为90VAC至265VAC，经过整流后，相当于大约为100V至400V的直流母线电压。但是，当输入电压较低时，所需的储能电容容量却是最高的，因此电容容量的大小取决于最低的输入电压。正是由于大电容要满足高耐压和高容量，才使得大容量输入电容体积如此之大。

采用新的MinE-CAP方法，就不需要非常大的高压高容量电容器件。只需选择一个尺寸小得多的低容值400V电容，电源就能在高输入电压下安全工作。再使用一个容值更大但额定电压更低的电容与之并联，这个大容值电容与新的MinE-Cap IC串联，可提供低输入电压所需的额外储能容量（参见图1）。由于该电容的额定电压仅为160V，因此它的体积比相同容值的400V电容器小得多，约为其体积的三分之一。因此，电源的输入级尺寸得以大幅缩小。

就电源的整体输入级而言，MinE-CAP可有效缩小约50%的电容体积，进而将电源的总体积缩小高达40%。如果不使用MinE-CAP，这些电容就会非常大，以至于难以放置到电源壳体内，因此会对电源的总体积产生不成比例的影响。

MinE-CAP采用了精密的控制器，尽管看似一个简单的开关。它可以随时准确地测量160V电容两端的电压。MinE-CAP IC可以在一个工频周期内将160V电容切入和切出电路，并监测输入浪涌和提供保护，从而使低压电容两端的电压始终在生产厂商的最大电压限值之内。

一、可靠性

MinE-Cap IC设计中还有两个非常重要的方面。首先，MinE-CAP所使用的氮化镓晶体管采用Power Integrations的PowiGaN工艺制造而成。该晶体管是专门为关断状态下的极低漏电流设计的。在高输入电压下，当MinE-Cap关断时，漏电流低的特性尤为重要，这样可避免对低压电容过度充电。

MinE-CAP架构的第二个显著优势是其对浪涌电流的影响。浪涌电流是指当交流电首次上电时电源输入端所测量得到的电流。当您有一个非常大的输入大电容时，就会具有很高的输入浪涌电流。在大多数电源中，这意味着您必须引入一个名为负温度系数（NTC）电阻的元件。NTC器件在低温时电阻很大，高温时电阻就小得多。因此，当交流电上电时，电阻较高，浪涌电流得以被限制减小。

而使用MinE-CAP后则完全不需要NTC，因为交流电首次上电时，交流电所需要充电的电容仅为低容值的400V电容。MinE-CAP是开路的，它可在初次上电时阻止任何电流流入160V电容。随后，MinE-CAP以受到很好控制的、更低的电流变化率对160V电容进行充电，这样就完全不需要NTC，并且还能提高电源的效率。此外，通过减小浪涌电流，还可以降低整流桥的应力。

二、简化设计

MinE-Cap采用小型MinSOP-16A IC封装，设计电路时只需要极少的外围元件。它还可以与Power Integrations的InnoSwitch系列电源IC平滑对接，如图2所示。有两个连接：一个连接至InnoSwitch开关的V引脚，MinE-CAP通过检测电阻将输入电压信息传递至InnoSwitch；另外，MinE-CAP从InnoSwitch开关的旁路引脚BPP取电。

为了简化任何给定设计中400V和160V电容的电容值选择，Power Integrations在MinE-CAP数据手册中提供了一条选择曲线。请参见图3。其中X轴是电源的输出功率，Y轴是电容容量，单位为微法拉，160V和400V器件的数值用不同的区段标示。

图3

Power Integrations发现，输出功率在35W到70W之间的设计可以实现最大的尺寸缩小。高于70W时，通常将需要增加功率因数校正（PFC）输入级，其升压功能可确保大电容电压始终处于高压状态，这样MinE-Cap无法起到其应有的作用。然而，在诸如音频放大器等应用中，尽管其电源的瞬态峰值功率可能在70W以上，但往往也不需要有前级PFC线路，在这种情况下，即使输出功率较高，MinE-Cap也能发挥出其降低电源尺寸的好处。

三、超宽输入范围电源

还有一类电源，MinE-Cap在缩小整体尺寸方面更为有效：即所谓的超宽输入范围电源，其工作电压在90VAC至最高400VAC之间。这些电源通常用于新兴市场，例如印度，在这些市场中，交流输入电压容易出现较大的波动。超宽输入范围电源的输入级比标准通用输入电源更复杂，因为整流电压接近600VDC。传统的400V电容显然已经不能满足需要。如果采用额定电压为600V的电解电容，但其价格昂贵。设计人员更常采用的方法是，将两个350V或400V的电容串联叠加在一起使用，以达到必要的击穿电压要求，但代价是电容串联后其在电路中的等效容量会相应减半。

这对于电源设计人员来说是一个现实的问题，因为低输入电压条件与普通的通用输入电源90VAC没有什么区别，此时需要足够大的电容容量来有效地过滤交流输入电压纹波，并为后级电路提供有效的功率。现在，由于电容进行串联叠加连接以满足高耐压要求的情况下，电容在电路中的等效容量减小了，因而需要许多组这样叠加的电容电路并联以达到所需的容量，这样就进一步增加了电源的尺寸。

此时，MinE-CAP的优势就更加明显了。与标准的通用输入电源一样，MinE-Cap可以在低输入电压条件下增加容量，而在高输入电压条件下可以使用小得多的叠加电容，这得益于高输入电压的V2储能特性。

从图4 可以看出，这种超宽范围MinE-CAP设计所使用的160V电容与标准通用输入电源完全相同，与之前一样，该电容与MinE-CAP串联。在这个超宽输入范围内，CLV的电容值并没有什么不同，因为只有在低输入电压条件下需要时才会引入。另一方面，400V的叠加电容可以大幅缩小。在部分此类应用中，Power Integrations提供的参考设计已可将整个电容尺寸减小60-65%。由于MinE-CAP内部的PowiGaN氮化镓开关的峰值电压额定值为750V，因此MinE-CAP可承受这些高电压，满足超宽输入电压范围的设计应用。

四、总结

为缩小电源尺寸，经常采用的一种方法是提高开关频率，进而可以使用更小的变压器。然而，这种方法需要重新设计磁性元件，通常还会涉及到一些更复杂的设计，包括有源箝位电路，以减少初级箝位损耗。使用有源箝位（通常会增加另一个氮化镓功率开关）意味着元件数量更多，增加所需的电路板空间，并使电源结构设计更具挑战性。这种方法也会增加电源输入端的EMI滤波器的尺寸。

与此形成鲜明对比的是，使用MinE-CAP后在现有电路中改变的仅仅是输入电容的大小。主变换器的开关频率无需变化，EMI滤波器通常也无需变化。无需使用有损耗的NTC器件来减小浪涌电流，并且还会降低整流桥上的应力，从而进一步减小尺寸并提高可靠性。MinE-CAP电路完全不影响电源的输出纹波，因此设计人员可以获得与传统电源相同的低纹波输出性能。MinE-CAP电源不仅效率更高、体积更小、更可靠，还能保持非常少的元件数，因此这种电源的开发速度更快、更易于制造。
编辑：lyn