PI创新产品可将AC-DC变换器的体积最多缩小40%

为了将AC-DC解决方案的效率提升、尺寸做小，PI这几年来推出了不少创新的产品，比如将GaN技术引入其InnoSwitch3系列产品中，使得该系列IC可在整个负载范围内提供95%的高效率，同时在密闭适配器内不使用散热片的情况下可提供100W的功率输出。
 
然而，客户对电源适配器的需求不仅仅要求充电速度更快，尺寸也需要更小，更希望一个适配器可以给多种设备供/充电，这就需要适配器能够支持多种快充协议，结果就是电源适配器的充电控制需要更加智能。

开关电源小型化面临的挑战

要满足高功率和更加智能的充电控制需求，电源适配器的元件数目和复杂性就必然会增加。要实现更小的尺寸，最容易想到的办法就是增加开关频率，但在小型化过程中，电源设计工程师将会面临两大难题，一是温升性能的挑战；二是将开关频率提升至300kHz以上后，由于各种元器件公差、变压器零散性等的原因，会造成输出特性在批量生产时难以保持一致性等问题。

图1：提升开关电源频率带来的一些问题。（来源：PI）

 
此外，更高的关频率，可以把变压器缩小；但EMI会更差，就需要更大的输入滤波器；开关损耗也会相应地增加，这就必须增加有源钳位电路以降低缓冲电路和开关的损耗；这样占板空间和成本会相应增加。

图2：典型的开关电源架构图。（来源：PI）

 
其实，在任何一个开关电源中，除了变压器，还有一个滤波电容的尺寸是很难缩小的，这个滤波的大电解电容与电源的峰值输出功率有关，峰值输出功率越大，大电容的容量就越大，同时这个大电容本身就是一个体积较大的元件，这就限制了开关电源的进一步缩小。

图3：每个AC工频周期期间大电容存储能量和释放能量的过程。（来源：PI）

 
从图3中的显示的大电容存储能量和释放能量的过程，以及大电容的储能公式，我们可以知道，如果储存相同的能量，在高电压输入时，需要的电容就小；在低压输入时，需要的电容就大。
 
而如果想要开关电源在宽压范围内工作的话，就要求输入滤波电容既要有更大的容量（低压时），又要有更高的耐压额定值（高压时）。而为了支持大容量和高耐压，电容制造商就必须要增加电容的尺寸，也就是说要增加这个大电解电容的体积。因此电源要想做小的话，难度就非常大了。
 
那有没有什么更好的办法呢？ 

PI的创新解决方案

为了解决这个难题，PI利用其在AC-DC领域多年的经验，想到了一个新的办法，可以不用提升开关频率也能实现开关电源缩小的办法。那就是利用他们新的MinE-CAP芯片来缩小大电解电容的体积，从而实现开关电源体积的缩小。

图4：使用MinE-CAP来缩小开关电源尺寸的原理。（来源: PI）

 
那具体时如何实现的呢？Power Integrations（PI）资深技术经理阎金光(Jason Yan)解释说，“我们在输入端除了有一个电解电容外，还增加了一个低耐压的电解电容，低耐压电解电容与MinE-CAP内的PowiGaN开关相连。当输入电压比较低，需要更大电容时，我们就将PowiGaN开关打开，让该电容与前面的高耐压电容并联使用，这样就能保证低压时的需要的大电容。”他同时还指出，MinE-CAP会有一个检测引脚，一旦检测到输入母线电压大于低耐压的电容额定值时，PowiGaN开关就会断开连接。这种方法可大幅缩小输入大容量电容的尺寸，而不会影响输出纹波、工作效率或无需重新设计变压器。
 
可以看到，MinE-CAP器件其实就是利用了PI PowiGaN氮化镓晶体管的小尺寸和低RDSon优势，根据交流输入电压条件，主动、自动连接和断开大容量电容网络的各个部分。也就是说MinE-CAP的主要作用就是判断是不是需要将低耐压高容量的电容并联到滤波电路中。通过优化选择两个电容，来降低原来使用的大电解电容的体积。
 
此外，使用MinE-CAP还带来了两个好处，一是降低了浪涌电流，有助于省去NTC热敏电阻，提高系统效率，并减少热耗散；二是增加了总的电容容量，从而让开关电源具有更高的峰值功率输出能力。

图5：使用MinE-CAP可将大容量电容的体积缩减50%。（来源：PI）

 
新器件采用微型MinSOP-16A封装，可与Power Integrations的InnoSwitch系列电源IC无缝配合，所需外部元件极少，占板空间也很小。

图6：MinE-CAP的封装形式。（来源：PI）

 
同时，阎金光还展示了PI两份全新设计范例报告(DER)，它们均采用MinE-CAP IC和Power Integrations的InnoSwitch3-Pro系列PowiGaN IC（型号INN3370C-H302）。DER-626是一款适用于手机/笔记本电脑充电器的提供3.3V - 21V PPS输出的65W USB PD 3.0电源。该适配器只有信用卡大小，尺寸为82×51×12mm。
 
DER-822是一款使用INN3379C-H302设计的、适用于USB PD/PPS电源适配器的60W USB PD 3.0电源。

图7：基于MinE-CAP IC和InnoSwitch3系列的信用卡大小电源适配器。

结语

传统的功率变换解决方案通过提高开关频率来使用更小的变压器，从而减小电源尺寸。创新的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。
 
它适用于新兴市场应用的超宽输入电压范围的电源，特别是不稳定的电网电压情况。好处是采用MinE-CAP方案具有更小的形状系数，适用于平台方案应用。它的应用范围包括智能手机充电器、家电、电动工具、以及仪表应用等。