縮小高效充電器的尺寸

提供最緊湊、最高效的US-PD充電器已成為渴望在這個競爭激烈的市場中搶占份額的配件廠商的要求。隨著手持設備的功能不斷增加，以及快速充電協(xié)議成為標準，提供更多的電力已是一項關(guān)鍵要求。這些相互制約的設計要求正在催生一系列新的解決方案，這些方案當中要求離線反激式電源設計中PCB電路空間使用率必須最大化，此類標準解決方案要滿足高達100W的充電器應用。

氮化鎵功率開關(guān)的引入和精確的同步整流使效率水平超過了90%，從而降低了對導熱片和散熱片的要求。USB-PD充電協(xié)議要面臨高度可變的負載條件，要求提供寬范圍的輸出電壓和電流，這為工作效率帶來了挑戰(zhàn)。從這個角度來看，單電壓65W的筆記本電腦適配器，其供電效率可以達到95%，在各種負載條件下相對保持一致。提供類似功率輸出但支持USB-PD協(xié)議的設計在滿載情況下最多只能實現(xiàn)93%的效率。在這種設計中，效率損失的主要原因在于輸出電壓范圍較寬(5V至20V)，這導致變壓器匝數(shù)比折中和開關(guān)占空比變化較大，從而影響變壓器磁通密度。

圖1 – 65W單一輸出電源與65W可變電壓USB-PD設計(3V、5V-9V-12V-15V-20V)相比的最高實用效率

縮小電源尺寸的傳統(tǒng)方法是利用氮化鎵開關(guān)的極低開關(guān)損耗并提高電源的開關(guān)頻率。這樣就可以通過減少每個周期的開關(guān)導通時間來選擇物理尺寸更小的功率變壓器，從而降低單位磁芯面積的磁通密度。如上所述，由于需要滿足多種工作條件，變壓器設計時要對這些情況綜合考慮，因此提高開關(guān)頻率會給電路設計人員帶來額外的負擔。

提高開關(guān)頻率對主氮化鎵開關(guān)的影響很小，但是標準的低成本RCD初級箝位電路(用于防止在開關(guān)關(guān)斷期間出現(xiàn)過大的電壓過沖)在高頻下會造成過高的損耗。有源箝位電路通常用于高頻設計，以回收部分箝位能量。但需要搭配一個額外的高壓氮化鎵開關(guān)，這種方法可有效降低功率損耗，使小型設計成為可能。傳統(tǒng)的設計采用互補模式的有源箝位電路，要求工作于DCM工作模式，這對通用USB-PD設計來說是一個挑戰(zhàn)。這種拓撲結(jié)構(gòu)還必須采用低容量的輸出大電容來強制與反激電路的初級開關(guān)進行諧振開關(guān)(ZVS)，這會進一步增加輸出濾波級的設計復雜度。

縮小反激式電源尺寸的新方法

除了大尺寸的功率變壓器外，離線電源中另一個重要的元件就是輸入大電容。全球適用是對快速充電器的普遍要求。這通常意味著輸入電壓范圍為90-264VAC，同時初級母線電壓將在127VDC至374VDC的范圍內(nèi)。當輸入電壓下降時，每個工頻周期內(nèi)需要由大電容為反激級提供能量。電容的儲能與輸入電壓的平方成正比。這意味著在低輸入電壓下，為了存儲相同的能量，大電容的容量必須為高輸入電壓下工作所需容量的大約四倍。對于寬范圍電源來說，這兩個因素結(jié)合在一起，意味著大電容必須足夠大(以容值計)以支持低電壓，同時也要足夠大(以電壓計)以在最大高輸入電壓下安全工作。過度減小大電容的容值會導致輸出紋波增加 – 這是大多數(shù)充電器應用的問題，而降低額定電壓則會影響可靠性并大幅縮短電路壽命。給定容值的電解電容大小與額定電壓的平方有關(guān)。這意味著高壓、高容值的電容開始變得非常大。

圖2 - 初級大電容的額定電壓和儲能與尺寸的關(guān)系

在充電器應用中，對更高的電壓和更高的電容的要求不是同時提出的，無需同時滿足。Power Integrations推出的一項新技術(shù)解決方案利用此條件，可在不提高開關(guān)頻率的情況下，節(jié)省多達40%的電源尺寸。

圖3 – 用于減小大電容尺寸的MinE-CAP電路

該電路的工作原理是：當輸入電壓較低時，利用開關(guān)增加電容，當輸入電壓上升到閾值電壓以上時，斷開低壓大電容。電容開關(guān)在導通時必須通過初級開關(guān)電流，因此采用氮化鎵器件在很小的面積內(nèi)提供低RDS(on)，以確保高效率。開關(guān)頻率是工頻頻率的兩倍，因此開關(guān)損耗可以忽略不計。這使設計人員可以組合使用低壓、高容值器件以及低容值、高壓電容。這種方法可以顯著節(jié)省空間，將大電容的體積減少50%。

圖4 - 與傳統(tǒng)電源相比，采用MinE-CAP設計可節(jié)省空間

當輸入電壓低于安全閾值(150V)時，控制電路會檢測到此變化，并將低壓電容(通常采用額定電壓160V的標準電容)接入電路。該控制器還確保低壓電容保持充電狀態(tài)，以便它們能夠按需提供能量，并確保電容的性能不會隨著時間的推移而下降 - 這是未充電的電解電容可能出現(xiàn)的問題。此外，控制器可在電源接通時管理電容充電，并在輸入浪涌和電壓驟升時提供快速保護。MinE-CAP IC可以與Power Integrations的InnoSwitch3和InnoSwitch3-Pro功率變換IC配合使用，并使用單引腳接口來控制它們在啟動期間和故障情況下的操作。

在反激式電源中使用MinE-CAP降低浪涌電流

除了減小大電容的體積外，MinE-CAP還可大大減小開機時線路中的輸入電容容量。這樣實際上會消除浪涌電流應力，無需浪涌電流限制器(熱敏電阻或NTC)，從而提高電路的整體效率，消除主要發(fā)熱點，并減輕整流橋和輸入濾波器的應力。

圖5 – 使用MinE-CAP與不使用MinE-CAP但使用傳統(tǒng)1Ω或5Ω NTC的電源設計的浪涌電流i2t特性

結(jié)論

MinE-CAP最適合用于25至75W輸出功率且不含PFC電路的電源設計。該電路還支持非充電器應用，適用于在輸入電壓不穩(wěn)定的地區(qū)中工作的電源。第一批采用此項新技術(shù)的設計已經(jīng)投入生產(chǎn)，與高開關(guān)頻率的解決方案相比，元件數(shù)量少(僅需五個元件即可使MinE-CAP電路工作)可確保設計最大限度地縮小尺寸，同時降低制造難度。

補充內(nèi)容

MinE-CAP在市電電壓不穩(wěn)定地區(qū)的應用

MinE-CAP的工作原理是，當輸入電壓超過“低壓”類電容的額定電平時，會將電容切出電路。在發(fā)展中經(jīng)濟體中，交流輸入電路可能會受到隨機電壓驟升的影響，該情況會在幾秒鐘或幾分鐘內(nèi)大幅升高母線電壓。用于工業(yè)設備和家電的傳統(tǒng)充電器和電源為了解決這一問題，通常會使用串聯(lián)低壓電容或采用非常大的600V額定電壓電容來確保大電容級處于安全工作電壓下，從而加強對輸入級的保護。MinE-CAP電路可用于在輸入浪涌期間隔離大部分大電容，僅將一個很小的高壓電容留在電路中(因為高壓輸入時可以更加容易地儲存至所需的能量，以防止輸出端出現(xiàn)100Hz的紋波)。這種方法意味著，通過引入MinE-CAP開關(guān)技術(shù)，可以縮減全球適用的輸入級的尺寸和成本。

圖6：使用MinE-CAP的印度版開關(guān)電源與傳統(tǒng)電路的比較