一种减小电源尺寸的新方法

本文讨论了MinE-Cap，这是一种通过缩小电源输入大容量电容器尺寸来缩小 AC-DC 电源尺寸的新颖解决方案。这是一种前所未有的方法。大容量电容器是电源输入端的能量存储元件，可过滤并减少交流线路的纹波。输入大容量电容器是电源整体尺寸的很大一部分。大小取决于需要有足够的电容来有效过滤低压线路的输入波形，以及需要额定 400 V（至少）高压线路。

介绍

通用输入电源的输入电压范围为 90 V 至 265 V AC，在整流后相当于直流轨上的大约 100 V 至 400 V。然而，当输入电压低时，所需的存储电容最高，因此电容受低电压控制。正是高电压和高电容的结合使得大容量输入电容器如此之大。

使用新的 MinE-CAP 方法，不需要非常大的、高电压、高电容的设备。取而代之的是，选择具有更低电容的小得多的 400 V 电容器，以便电源在高线路输入下安全运行。与此并行的是，一个大得多但额定电压更低的电容器与新的 MinE-Cap IC 串联使用，以提供低线路输入所需的额外存储（图 1）。由于该电容器的额定电压仅为 160 V，因此与相同电容的等效 400 V 电容器相比，它的体积要小得多——大约是体积的三分之一。因此，电源输入级的尺寸急剧缩小。

图 1：提供低线路输入所需的额外存储的 MinE-Cap IC

在电源的整体输入级方面，MinE-CAP有效地减少了约50%的电容器体积，进而可以将整体电源体积减少多达40%。如果没有 MinE-CAP，这些电容器非常大，难以在电源外壳中定位，因此会对电源的整体体积产生不成比例的影响。

MinE-CAP 使用了一个复杂的控制器，即使它看起来像一个简单的开关。它可以随时准确地测量 160 V 电容器两端的电压。MinE-CAP IC 在 AC 线路周期期间将 160 V 电容器切换到电路中或从电路中切换出来，并监控和防止线路浪涌，从而使低压电容器两端的电压始终处于制造商的最大电压限制范围内。

可靠性

MinE-Cap IC 设计还有两个非常重要的方面。首先，MinE-CAP 使用采用 Power Integrations 的 PowiGaN 工艺制造的氮化镓晶体管。该晶体管专为在关断条件下实现极低的漏电流而设计。当 MinE-Cap 在高线路输入条件下关闭时，低泄漏尤其重要，以防止低压电容器过度充电。

MinE-CAP 架构的第二个显着优势是它对浪涌电流的影响。浪涌电流是首次引入交流线路时流入电源的电流的量度。当有一个非常大的输入大容量电容器时，将会有一个非常大的浪涌电流。在大多数电源中，这意味着必须包含负温度系数 (NTC) 电阻器。NTC 器件在低温下表现出高电阻，而在高温下表现出低得多的电阻。因此，当引入交流线路时，阻抗较高，浪涌电流减小。MinE-Cap 消除了对 NTC 电阻器的需要，因为当首次引入 AC 电流时，AC 线路看到的唯一电容来自低值 400 V 电容器。MinE-Cap IC 是开路的，可在初始开启点阻止任何电流流入 160 V 电容器。随后，它以低得多且精确控制的电流为 160 V 电容器充电，从而使 NTC 电阻器变得多余并提高电源效率。此外，通过降低浪涌电流，桥式整流器上的应力也降低了。

设计简单

MinE-Cap 采用小型 MinSOP-16A IC 封装，旨在只需要最少数量的外部组件。它还可以与 Power Integrations 的 InnoSwitch 系列电源 IC 无缝连接，如图 2 所示。有两种连接：一种是连接到 InnoSwitch 的 V 引脚，允许 MinE-CAP 通过检测电阻器将线路状况传达给 InnoSwitch ; MinE-CAP 从 InnoSwitch 旁路引脚 BPP 汲取能量。 

图 2：Power Integrations 的 InnoSwitch 系列电源 IC

为了简化任何给定设计中 400 V 和 160 V 电容器电容值的选择，Power Integrations 在 MinE-CAP 数据表中包含了一个选择曲线。请参见图 3。x 轴是电源的输出功率，y 轴是以微法拉为单位的电容，160 V 和 400 V 设备的值使用不同频段描述。

图 3：电容与输出功率

Power Integrations 发现，输出功率介于 35 W 和 70 W 之间的设计可实现最大尺寸减小。高于 70 W 通常需要功率因数校正 (PFC) 输入级，其升压可确保大容量电容器始终处于高压状态，从而使 MinE-Cap 变得多余。然而，在音频放大器等应用中，短期峰值的峰值功率高于 70 W 且不需要 PFC，在这些情况下，MinE-Cap 在更高的功率水平下是有益的。

超宽范围电源

还有一类电源，其中 MinE-Cap 在减小整体尺寸方面更加有效：所谓的超宽范围电源，可在 90 VAC 到 400 VAC 之间运行。这些电源通常用于交流线路电压容易出现大幅波动的新兴市场，例如印度。超宽范围电源输入级比标准通用输入电源更复杂，因为整流电压接近600 V DC。传统的 400 V 电容器显然不再足够。有额定电压为 600 V 的昂贵电解电容器，但更常见的是，设计人员会堆叠两个 350 V 或 400 V 电容器以实现必要的击穿电压，代价是每个堆叠的有效电容减半。

这对电源设计人员来说是一个真正的问题，因为低压线路条件与正常的 90 VAC 通用输入电源没有什么不同，后者需要大量电容来有效过滤 AC 线路电压纹波并有效地支持下游电源。现在，由于非常高的电压堆叠要求和串联电容器的有效电容降低，您需要许多这些堆叠的高压设备，这意味着大量的电容器进一步增加了电源的尺寸。

在这里，MinE-CAP 的好处更加明显。与标准通用输入电源一样，MinE-Cap 可以为低压线路条件增加电容，并且可以使用受益于 V 2 的小得多的堆叠电容器来适应高压线路条件高线电压的储能特性。图 4 显示，这种使用 MinE-CAP 的超宽范围设计使用与标准通用输入电源完全相同的 160 V 电容器，与之前的 MinE-Cap 串联。CLV 的电容值在这个超宽范围内没有什么不同，因为它只在低压线路条件下需要时才引入。另一方面，400 V 堆叠电容器可以小得多。Power Integrations 在某些此类应用中的整体电容器尺寸减少了 60-65%。MinE-CAP 可承受这些高电压，因为 MinE-CAP PowiGaN 氮化镓开关的峰值电压额定值为 750 V。

图 4：超宽范围电源

概括

通常用于减小电源尺寸的一种方法是增加开关频率，从而需要更小的变压器。然而，这种方法需要重新设计磁性元件，通常需要更复杂的设计，包括有源钳位电路以减少初级钳位损耗。引入钳位电路（通常会增加另一个 GaN 电源开关）所需的组件增加，从而增加了所需的电路板空间，并使构建更具挑战性。这种方法还增加了电源输入端 EMI 滤波器的尺寸。与之形成鲜明对比的是，MinE-CAP 改变的唯一现有电路元件是电容器尺寸。主变换器的开关频率不变，EMI滤波器常不变。对于有损耗的 NTC 器件，不需要降低浪涌电流，并且桥式整流器上的应力也降低了，从而进一步缩小了尺寸并提高了可靠性。电源的输出纹波完全不受 MinE-CAP 电路的影响，因此设计人员可以期待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，而且部件数量更少——因此提供了一种开发速度更快、制造更容易的电源。因此设计人员可以期待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，而且部件数量更少——因此提供了一种开发速度更快、制造更容易的电源。因此设计人员可以期待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，而且部件数量更少——因此提供了一种开发速度更快、制造更容易的电源。

审核编辑：郭婷