MinE-Cap——缩小AC-DC电源尺寸的新型解决方案
本文讨论mine-cap，这是一种通过缩小电源输入大容量电容器的尺寸来缩小ac-dc电源尺寸的新颖解决方案。这是以前从未做过的方法。大容量电容器是电源输入处的能量存储元件，可过滤并减少交流线路的纹波。输入大容量电容器占电源总尺寸的很大一部分。尺寸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，以及高压线路的额定电压至少为400v。
介绍
通用输入电源的输入电压范围为90 v至265 v ac，经过整流后，相当于直流电源轨上的大约100 v至400v。但是，当输入电压较低时，所需的存储电容最高，因此该电容受低压控制。高电压和高电容的结合使大容量输入电容器变得如此之大。
使用新的mine-cap方法，就不需要大型，高压，高电容的设备。取而代之的是，选择一个较小的，具有较低电容的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，与新的mine-cap ic串联使用了更大的电容，但额定电压更低的电容器，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（约为体积的三分之一）。因此，电源输入级的尺寸急剧缩小。
图1：mine-cap ic提供低压输入所需的额外存储
就电源的总输入级而言，mine-cap有效地减少了约50％的电容器体积，这反过来又可以使总电源量减少多达40％。如果没有mine-cap，这些电容器太大，以至于它们很难放置在电源外壳中，因此会对电源的整体体积产生不成比例的影响。
mine-cap采用了复杂的控制器，即使它看起来像是一个简单的开关。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线路周期内将160 v电容器切入和切出电路，并监视和保护线路浪涌，从而使低压电容器两端的电压始终在制造商的最大电压极限之内。
可靠性
mine-cap ic设计还有另外两个非常重要的方面。首先，mine-cap使用通过power integrations的powigan工艺制造的氮化镓晶体管。该晶体管专为在截止条件下的极低泄漏电流而设计。当mine-cap在高线路输入条件下关闭时，低泄漏尤为重要，以防止低压电容器过度充电。
mine-cap架构的第二个重要优点是它对浪涌电流的影响。浪涌电流是对首次引入交流线路时流入电源的电流的度量。当有非常大的输入大容量电容器时，将会有非常大的浪涌电流。在大多数电源中，这意味着必须包括一个负温度系数（ntc）电阻。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ac线时，阻抗高，并且涌入电流减小。mine-cap消除了对ntc电阻的需求，因为在首次引入交流电流时，交流线路看到的唯一电容是来自低值400 v电容器。mine-cap ic是开路的，并在该初始接通点处阻止任何电流流入160 v电容器。随后，它以低得多的电流和精确控制的电流为160 v电容器充电，从而使ntc电阻器具有冗余性并提高了电源效率。此外，通过减小涌入电流，还减小了桥式整流器上的应力。
设计简单
mine-cap采用小型minsop-16a ic封装，旨在仅需最少数量的外部组件。它还与power integrations的innoswitch系列电源ic无缝连接，如图2所示。共有两种连接方式：一种是连接到innoswitch的v引脚，允许mine-cap通过感应电阻将线路条件传达到innoswitch。 ; mine-cap从innoswitch旁路引脚bpp吸收能量。
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电容器的电容值的选择，power integrations在mine-cap数据表中包括了一条选择曲线。请参见图3。x轴是电源的输出功率，y轴是微法拉的电容，其中使用不同的频带描述了160 v和400 v器件的值。
图3：电容与输出功率
power integrations发现，对于输出功率在35 w至70 w之间的设计，可以实现最大的尺寸减小。在70 w以上，通常将需要功率因数校正（pfc）输入级，其升压功能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。但是，在诸如音频放大器之类的应用中，对于短期峰值，峰值功率高于70 w，并且不需要pfc，在这种情况下，mine-cap在高得多的功率水平下是有益的。
超宽范围电源
还有一类电源，mine-cap在减小整体尺寸方面更为有效：所谓的超宽范围电源，其工作电压范围为90 vac至400 v ac。这些电源通常用于新兴市场，例如印度，在这些市场中，交流线路电压容易出现较大的波动。超宽范围电源输入级比标准通用输入电源复杂，因为整流电压接近600 v dc。传统的400 v电容器显然已不再足够。有一些额定值为600 v的昂贵电解电容器，但更常见的是，设计人员将堆叠两个350 v或400 v电容器以达到必要的击穿电压，但代价是将每个堆叠的有效电容减半。
对于电源设计人员来说，这是一个真正的问题，因为低压线路条件与普通的通用输入电源90 vac并无不同，后者需要大量的电容才能有效地过滤交流线路电压纹波并有效地支持下游电源。现在，由于对电压的堆叠要求很高，并且串联电容器的有效电容减小，因此您需要许多这种堆叠的高压器件，这意味着大量电容器会进一步增加电源的尺寸。
在这里，mine-cap的好处更加明显。与标准的通用输入电源一样，mine-cap可以为低线路条件增加电容，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线路条件高线路电压的能量存储特性。图4显示，使用mine-cap进行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，该电容器与以前的mine-cap串联使用。clv的电容值在这个超宽范围内没有变化，因为它仅在低线路条件下需要时才引入。另一方面，400 v堆叠电容器可以大大缩小。在某些此类应用中，power integrations的整体电容器尺寸减小了60-65％。由于mine-cap powigan氮化镓开关的峰值额定电压为750 v，因此mine-cap可以承受这些高压。
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。但是，这种方法需要重新设计磁性器件，通常需要采用有源钳位电路的更复杂的设计，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）所需的组件数量增加，从而增加了所需的电路板空间，并使结构更具挑战性。这种方法还增加了电源输入上的emi滤波器的尺寸。与之形成鲜明对比的是，mine-cap更改的唯一现有电路元件是电容器尺寸。主转换器的开关频率不变，emi滤波器通常不变。无需使用有损ntc器件来减小浪涌电流，并且减小了桥式整流器上的应力，从而进一步减小了尺寸并提高了可靠性。mine-cap电路完全不影响电源的输出纹波，因此设计人员可以期望获得与常规电源相同的低纹波输出性能。mine-cap电源不仅效率更高，更小巧，更可靠，而且零件数量很少，因此提供了一种开发速度更快，更易于制造的电源。因此设计人员可以期望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，更小巧，更可靠，而且零件数量很少，因此提供了一种开发速度更快，更易于制造的电源。因此设计人员可以期望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，更小巧，更可靠，而且零件数量很少，因此提供了一种开发速度更快，更易于制造的电源。
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通用输入电源的输入电压范围为90 v至265 v ac，经过整流后，相当于直流电源轨上的大约100 v至400v。但是，当输入电压较低时，所需的存储电容最高，因此该电容受低压控制。高电压和高电容的结合使大容量输入电容器变得如此之大。
使用新的mine-cap方法，就不需要大型，高压，高电容的设备。取而代之的是，选择一个较小的，具有较低电容的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，与新的mine-cap ic串联使用了更大的电容，但额定电压更低的电容器，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（约为体积的三分之一）。因此，电源输入级的尺寸急剧缩小。
图1：mine-cap ic提供低压输入所需的额外存储
就电源的总输入级而言，mine-cap有效地减少了约50％的电容器体积，这反过来又可以使总电源量减少多达40％。如果没有mine-cap，这些电容器太大，以至于它们很难放置在电源外壳中，因此会对电源的整体体积产生不成比例的影响。
mine-cap采用了复杂的控制器，即使它看起来像是一个简单的开关。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线路周期内将160 v电容器切入和切出电路，并监视和保护线路浪涌，从而使低压电容器两端的电压始终在制造商的最大电压极限之内。
可靠性
mine-cap ic设计还有另外两个非常重要的方面。首先，mine-cap使用通过power integrations的powigan工艺制造的氮化镓晶体管。该晶体管专为在截止条件下的极低泄漏电流而设计。当mine-cap在高线路输入条件下关闭时，低泄漏尤为重要，以防止低压电容器过度充电。
mine-cap架构的第二个重要优点是它对浪涌电流的影响。浪涌电流是对首次引入交流线路时流入电源的电流的度量。当有非常大的输入大容量电容器时，将会有非常大的浪涌电流。在大多数电源中，这意味着必须包括一个负温度系数（ntc）电阻。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ac线时，阻抗高，并且涌入电流减小。mine-cap消除了对ntc电阻的需求，因为在首次引入交流电流时，交流线路看到的唯一电容是来自低值400 v电容器。mine-cap ic是开路的，并在该初始接通点处阻止任何电流流入160 v电容器。随后，它以低得多的电流和精确控制的电流为160 v电容器充电，从而使ntc电阻器具有冗余性并提高了电源效率。此外，通过减小涌入电流，还减小了桥式整流器上的应力。
设计简单
mine-cap采用小型minsop-16a ic封装，旨在仅需最少数量的外部组件。它还与power integrations的innoswitch系列电源ic无缝连接，如图2所示。共有两种连接方式：一种是连接到innoswitch的v引脚，允许mine-cap通过感应电阻将线路条件传达到innoswitch。 ; mine-cap从innoswitch旁路引脚bpp吸收能量。
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电容器的电容值的选择，power integrations在mine-cap数据表中包括了一条选择曲线。请参见图3。x轴是电源的输出功率，y轴是微法拉的电容，其中使用不同的频带描述了160 v和400 v器件的值。
图3：电容与输出功率
power integrations发现，对于输出功率在35 w至70 w之间的设计，可以实现最大的尺寸减小。在70 w以上，通常将需要功率因数校正（pfc）输入级，其升压功能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。但是，在诸如音频放大器之类的应用中，对于短期峰值，峰值功率高于70 w，并且不需要pfc，在这种情况下，mine-cap在高得多的功率水平下是有益的。
超宽范围电源
还有一类电源，mine-cap在减小整体尺寸方面更为有效：所谓的超宽范围电源，其工作电压范围为90 vac至400 v ac。这些电源通常用于新兴市场，例如印度，在这些市场中，交流线路电压容易出现较大的波动。超宽范围电源输入级比标准通用输入电源复杂，因为整流电压接近600 v dc。传统的400 v电容器显然已不再足够。有一些额定值为600 v的昂贵电解电容器，但更常见的是，设计人员将堆叠两个350 v或400 v电容器以达到必要的击穿电压，但代价是将每个堆叠的有效电容减半。
对于电源设计人员来说，这是一个真正的问题，因为低压线路条件与普通的通用输入电源90 vac并无不同，后者需要大量的电容才能有效地过滤交流线路电压纹波并有效地支持下游电源。现在，由于对电压的堆叠要求很高，并且串联电容器的有效电容减小，因此您需要许多这种堆叠的高压器件，这意味着大量电容器会进一步增加电源的尺寸。
在这里，mine-cap的好处更加明显。与标准的通用输入电源一样，mine-cap可以为低线路条件增加电容，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线路条件高线路电压的能量存储特性。图4显示，使用mine-cap进行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，该电容器与以前的mine-cap串联使用。clv的电容值在这个超宽范围内没有变化，因为它仅在低线路条件下需要时才引入。另一方面，400 v堆叠电容器可以大大缩小。在某些此类应用中，power integrations的整体电容器尺寸减小了60-65％。由于mine-cap powigan氮化镓开关的峰值额定电压为750 v，因此mine-cap可以承受这些高压。
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。但是，这种方法需要重新设计磁性器件，通常需要采用有源钳位电路的更复杂的设计，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）所需的组件数量增加，从而增加了所需的电路板空间，并使结构更具挑战性。这种方法还增加了电源输入上的emi滤波器的尺寸。与之形成鲜明对比的是，mine-cap更改的唯一现有电路元件是电容器尺寸。主转换器的开关频率不变，emi滤波器通常不变。无需使用有损ntc器件来减小浪涌电流，并且减小了桥式整流器上的应力，从而进一步减小了尺寸并提高了可靠性。mine-cap电路完全不影响电源的输出纹波，因此设计人员可以期望获得与常规电源相同的低纹波输出性能。mine-cap电源不仅效率更高，更小巧，更可靠，而且零件数量很少，因此提供了一种开发速度更快，更易于制造的电源。因此设计人员可以期望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，更小巧，更可靠，而且零件数量很少，因此提供了一种开发速度更快，更易于制造的电源。因此设计人员可以期望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，更小巧，更可靠，而且零件数量很少，因此提供了一种开发速度更快，更易于制造的电源。
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