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來(lái)源：富昌電子 作者：Christophe Basso GaN 功率開(kāi)關(guān)技術(shù)的出現有效地回應了市場(chǎng)對更輕、更緊湊的旅行電源適配器日益增長(cháng)的需求：GaN 高電子遷移率晶體管的快速開(kāi)關(guān)能力使開(kāi)發(fā)非常高密度的轉換器成為可能。 然而，雖然開(kāi)關(guān)頻率的提高使主變壓器的體積大幅減小，但其中一個(gè)器件仍然難以縮�。捍笕萘�電容器。該器件與前端橋式整流器一起執行真正的 AC-DC 轉換，然后為下游 DC-DC 轉換器提供整流軌。大容量電容器的選擇取決于其電壓和電流額定值：最高電壓輸入決定了選擇，這通常導致設計人員選擇難以容納在外殼中的超大器件。 現在 Power Integrations 推出了一款器件，它可以根據輸入電平在運行中實(shí)時(shí)地構建所需的電容值。如本文所示，這會(huì )大大減小系統總體積，幫助設計人員在提高電源適配器等設備的功率密度方面取得進(jìn)一步進(jìn)展。 確定電容值 在討論大容量電容器的選擇標準之前，讓我們看一下圖 1 所示的簡(jiǎn)化前端部分。橋式整流器從墻式插座接收正弦電壓，電容器執行平滑功能。 輸出為恒定功率負載供電，該負載模擬閉環(huán)運行的轉換器，吸收穩壓輸出。 
圖 1：簡(jiǎn)化的前端橋式整流電路 在圖 1 中，當輸入正弦電壓超過(guò)其端子兩端的電壓加上兩個(gè)二極管壓降時(shí)，電容器被充電。充電大致持續到超過(guò)輸入線(xiàn)路的峰值。在剩余的時(shí)間內，電容器不再充當接收器，而是成為自動(dòng)為負載供電的發(fā)電機，直到下一次充電事件。因此，整流電壓由峰值和谷值組成，在此期間轉換器環(huán)路調整工作點(diǎn)以提供干凈、無(wú)紋波的輸出電壓。 轉換器必須能夠在從滿(mǎn)載到谷底的范圍內運行，并在最低交流輸入電壓下、以峰值和谷值之間的平均電流值支持熱應力。理解這一點(diǎn)很重要，因為它決定了電容器的選擇。出于尺寸和成本的原因，降低該值可能對設計人員很有吸引力，但谷值電壓過(guò)低會(huì )導致轉換器在如此低的輸入下尺寸過(guò)大。 因此，過(guò)功率條件可能在高壓線(xiàn)路中發(fā)生，從而使電路的安全性面臨風(fēng)險。除此之外，也可能需要考慮保持時(shí)間要求，并影響最終選擇。 識別電容器限制條件 各種電氣或物理參數會(huì )影響電容器的選擇，但最重要的是電壓和工作溫度；后者與 rms 電流值密切相關(guān)。隨著(zhù)溫度升高并接近數據手冊中規定的最大值，必須考慮降額系數，以最大限度地延長(cháng)工作壽命。對于鋁電解類(lèi)型，降額系數接近最大電壓的 30% 是很常見(jiàn)的，建議隨著(zhù)器件的升溫進(jìn)一步增大此安全裕度值。 在以最低輸入 85 Vrms 運行的旅行適配器中，整流電壓峰值為 120 V，并且在以 127 Vrms 北美電源運行的系統中可增加到 180 V。在歐洲插座中，電源可高達 265 Vrms，標稱(chēng)值最大為 230 Vrms，這將大容量電容器偏置為 375 V。根據這些數據，設計人員通常根據最高輸入電壓選擇大容量電容器：400 V 額定值的電容器非常受歡迎�？紤]到 325 V 的標稱(chēng)高壓線(xiàn)路工作電壓（標稱(chēng) 230 Vrms），它在正常工作條件下為電容器提供了 19% 的降額系數。 電容器溫度受元器件中流動(dòng)的 rms 電流及其工作環(huán)境溫度的影響。rms 電流必須在最壞情況下進(jìn)行評估，并應指導電容器的選擇。忽略這一重要步驟會(huì )嚴重縮短使用壽命，甚至導致元器件故障。 可以分析計算電流1或依靠仿真來(lái)評估電容器中循環(huán)的電流的 rms 含量。圖 2 顯示了一個(gè)典型示例，其中 SIMPLIS® 電路可在幾秒鐘內提供結果。在這里，具有 2.4 Ω ESR 的電容器提供了0.2 的典型損耗因數 (tan)（在 20°C 溫度下）和 120 Hz 紋波電流。在此示例中，負載是 60 W 適配器。
圖 2：前端部分由一個(gè)二極管電橋和一個(gè)電容器組成，用于執行 AC-DC 整流 電壓紋波為 33% 時(shí)，谷值電壓達到 70 V：該值決定了 60 W 轉換器的大小，并留有余量。經(jīng)過(guò)浪涌后，電容器的 rms 電流穩定在 1.1 A 左右。在這個(gè)簡(jiǎn)單的設置中，電流由 100 Hz 或 120 Hz 周期組成，但不包括代表下游轉換器特征的高頻脈沖。這些脈沖也會(huì )加熱電容器，并且必須在評估過(guò)程中加以考慮。 選擇合適的電容器 最大允許 rms 電流根據工作溫度的不同而有很大差異。與許多功率元件一樣，電容器在低于其最高溫度工作時(shí)可以承載更多電流。表 1 顯示，對于額定最高溫度為 85°C 的電容器，在 55°C 下工作時(shí)，最大允許 rms 電流可增加 50%。
表 1：與頻率和工作溫度相關(guān)的電容器額定紋波電流倍數 紋波頻率也有類(lèi)似的情況，其中最壞的情況對應于最低頻率：轉換器吸收的高頻脈沖的影響應該小于 100 Hz 或 120 Hz 紋波的影響。在電容器最高溫度限制為 55°C 的 60 W 適配器中，能在 85 °C 下接受 730 mA 電流的 100 μF 類(lèi)型就足夠了。
表 2：在低于其最大額定值的溫度下運行的電容器能夠承載更高的電流 正如表 2 所示，三個(gè)元器件中的任何一個(gè)都是潛在的候選者；中間的這個(gè)提供了一些額外的余量。該電容器的體積約為 12.7 cm3。用于在插入轉換器時(shí)限制浪涌電流的熱敏電阻將進(jìn)一步增加系統的電路板占用空間。 在圖 2 的仿真中，當將電源增加到 230 Vrms 時(shí)，電容器電流下降到 585 mA，使 100 μF 電容器過(guò)大。此外，如果有 30% 的電壓紋波，則有效電容可能會(huì )降低到 68 μF 甚至 47 μF 的更低值。 電容器的表格顯示，如果適配器專(zhuān)門(mén)在高壓線(xiàn)路中運行，則可以使用更緊湊的器件。承受低壓線(xiàn)路中的大 rms 電流則需要一個(gè)大尺寸電容器，但當 rms 約束不太重要時(shí)，還需要針對 400 V 操作進(jìn)行調整。這就提出了一個(gè)問(wèn)題，即是否可以改變電容值以響應電源輸入的變化。 按需調節電容值 這就是 Power Integrations MinE-CAP® 控制器背后的理念：它支持選擇具有低 rms 能力、可用于高壓線(xiàn)路運行的小型 400 V 電容器，并且，當適配器在低壓線(xiàn)路運行時(shí)并聯(lián)一個(gè)更大但額定值為 160 V 的電容器。圖 3 顯示了將兩個(gè)電容器安裝在板上的原理。
圖 3：Power Integrations 的控制器確保根據輸入電壓選擇合適的電容值 在第一個(gè)上電序列時(shí)，高壓電容器 CHL 立即被充電，但其低電容值限制了浪涌電流。然后控制器檢測輸入電平，并了解它是處于高壓線(xiàn)路還是低壓線(xiàn)路操作。如果是高壓線(xiàn)路，則將一個(gè)信號發(fā)送到下游電源控制器，該控制器立即開(kāi)始切換，因為其滿(mǎn)足了運行條件。同時(shí)，控制器開(kāi)始使用恒流源為 CLL 緩慢充電，從而避免任何相關(guān)的電流浪涌。 當該電容器兩端的電壓達到 145 V 時(shí)，充電序列結束。然后電容器兩端的電壓由控制器調節。當適配器的輸入電壓降至較低的值時(shí)，控制器會(huì )等待主電容 CHL 兩端的電壓與 CLL 的電壓匹配，再進(jìn)行并聯(lián)過(guò)程，以避免在并聯(lián)具有不同端子電壓電平的電容器時(shí)出現任何電流尖峰。 如果輸入電壓再次上升并超過(guò)預定閾值，則低壓線(xiàn)路電容器 CLL 將安全斷開(kāi)，并返回到涓流充電模式。如果第一個(gè)上電序列發(fā)生在低壓線(xiàn)路，則該過(guò)程會(huì )發(fā)生變化。在這種情況下，低壓線(xiàn)路電容器將以更快的電流充電，一旦所有電壓都在預期窗口內，下游開(kāi)關(guān)轉換器就可以開(kāi)始運行。數據手冊中通常提到，在此模式下從初始交流連接開(kāi)始的啟動(dòng)時(shí)間為 250 ms。 如果高壓線(xiàn)電容器直接連接到橋式整流器，則電容器 CLL 穿過(guò)內部 MinE-CAP 開(kāi)關(guān)。在 100°C 的最高工作結溫下，該晶體管的性能受到 620 mΩ 的典型導通電阻的影響。因此，驗證低壓電容器提供的 rms 電流是否與器件可以耗散的最大功率一致，同時(shí)將結溫保持在安全區域內，這一點(diǎn)很重要。在考慮 PCB 布局和銅厚度的情況下評估結至環(huán)境的熱阻是設計過(guò)程的重要組成部分。 一個(gè)設計實(shí)例 這個(gè)設計過(guò)程可以用一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明，該例子顯示了一個(gè)在低至 85 Vrms 的通用電源輸入下運行的 65 W 適配器的前端電容計算。假設具有 42% 的紋波和低至 70 V 的可接受的谷值電壓，則電容計算值為 112 μF，歸一化為 120 μF 的上限值。圖 4 的仿真顯示紋波電流為 1.3 Arms。在 Nichicon 的 400 V 鋁電容器產(chǎn)品組合中，UCY 系列中的三個(gè)器件適用于在最高溫度 105°C 以下的工作條件。
圖 4：根據仿真和數據手冊，Nichicon 的三個(gè)電容器可能是潛在的候選者 這些電容器的體積在 8cm3和 9cm3之間，并且可以單獨支持整個(gè)輸入電壓范圍。 除了 Nichicon，Surge Components 也為這些整流功能提供了豐富的電容器選擇：RLA 或 RLD 系列的器件也符合要求。 將搜索范圍縮小到僅 160 V 類(lèi)型，擇 150 μF 電容器將是合適的選擇。如圖 5 所示。
圖 5：與高壓型相比，160 V 電容器的體積顯著(zhù)減小 與最初選擇的高壓型號相比，低壓型號的體積減小了 51%。在 195 Vrms 輸入下運行相同的仿真，對應于 230 V 標稱(chēng)電壓的低電平，rms 電流計算為 551 mA。22 μF 電容器將使谷值電壓下降到 180 V 左右：這對于下游轉換器是可以接受的。查看該高壓器件的數據手冊可知，27 μF 或 33 μF 電容器是合適的選擇。 圖 6 顯示了具有單個(gè)高壓器件的電路與具有覆蓋不同電壓范圍的兩個(gè)電容器的電路的比較：雙電容器解決方案將總體積減小了 30%，對于高密度電源適配器的設計人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)可觀(guān)的節省。當然，160 V 電容器的成本低于 400 V 類(lèi)型。
圖 6：將兩個(gè)不同電壓和電容值的電容器組合起來(lái)代替一個(gè)大電容器在體積和成本方面是有利的 MinE-CAP 控制器旨在與 Power Integrations 開(kāi)關(guān)（例如應用報告 DER-626 中描述的 InnoSwitch™3-PRO）配合使用。電氣圖如圖 7 所示。在這款高密度 65 W 適配器中，MinE-CAP 將 39 μF/400 V 電容器與較低電壓的 100 μF/160 V 器件配對。
圖 7：應用框圖顯示了轉換器前端部分的 MinE-CAP® 控制器 MinE-CAP 和 InnoSwitch 器件共享一個(gè)公共 Vcc 軌，其電平由基于齊納二極管的穩壓器設置。輔助繞組提供原始直流電壓并提供最佳待機性能。當工作條件有效時(shí)，MinE-CAP 控制器通過(guò)偏置 InnoSwitch 電路的掉電引腳來(lái)啟用適配器，并且適配器可以提供 5 V 至 20 V 范圍內的四種可能輸出電壓之一。 小結 提高開(kāi)關(guān)轉換器的工作頻率有助于減小磁性元件的尺寸，但它對減小大容量電容器的體積沒(méi)有任何作用。在空間受限的設計（例如高密度適配器）中，由于額定電壓高達 400 V 的器件的尺寸較大，所選電容器可能會(huì )導致設計問(wèn)題。 通過(guò)組合兩個(gè)不同電壓的電容器，MinE-CAP 控制器提供了一個(gè)巧妙的解決方案，以減少前端部分占用的體積。作為驅動(dòng)下游轉換器（如 InnoSwitch 器件）的配套芯片，該組合設計為重要的高密度適配器設計人員提供了有用的解決方案。 欲了解有關(guān) Power Integrations MinE-CAP 產(chǎn)品的更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)：www.power.com/products/mine-cap/mine-cap. |
