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來源：富昌電子 作者：Christophe Basso GaN 功率開關技術的出現有效地回應了市場對更輕、更緊湊的旅行電源適配器日益增長的需求：GaN 高電子遷移率晶體管的快速開關能力使開發非常高密度的轉換器成為可能。 然而，雖然開關頻率的提高使主變壓器的體積大幅減小，但其中一個器件仍然難以縮小：大容量電容器。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時地構建所需的電容值。如本文所示，這會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一步進展。 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，該負載模擬閉環運行的轉換器，吸收穩壓輸出。 
圖 1：簡化的前端橋式整流電路 在圖 1 中，當輸入正弦電壓超過其端子兩端的電壓加上兩個二極管壓降時，電容器被充電。充電大致持續到超過輸入線路的峰值。在剩余的時間內，電容器不再充當接收器，而是成為自動為負載供電的發電機，直到下一次充電事件。因此，整流電壓由峰值和谷值組成，在此期間轉換器環路調整工作點以提供干凈、無紋波的輸出電壓。 轉換器必須能夠在從滿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，但谷值電壓過低會導致轉換器在如此低的輸入下尺寸過大。 因此，過功率條件可能在高壓線路中發生，從而使電路的安全性面臨風險。除此之外，也可能需要考慮保持時間要求，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。隨著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，以最大限度地延長工作壽命。對于鋁電解類型，降額系數接近最大電壓的 30% 是很常見的，建議隨著器件的升溫進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。考慮到 325 V 的標稱高壓線路工作電壓（標稱 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的 rms 電流及其工作環境溫度的影響。rms 電流必須在最壞情況下進行評估，并應指導電容器的選擇。忽略這一重要步驟會嚴重縮短使用壽命，甚至導致元器件故障。 可以分析計算電流1或依靠仿真來評估電容器中循環的電流的 rms 含量。圖 2 顯示了一個典型示例，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：前端部分由一個二極管電橋和一個電容器組成，用于執行 AC-DC 整流 電壓紋波為 33% 時，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。經過浪涌后，電容器的 rms 電流穩定在 1.1 A 左右。在這個簡單的設置中，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。這些脈沖也會加熱電容器，并且必須在評估過程中加以考慮。 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，最大允許 rms 電流可增加 50%。
表 1：與頻率和工作溫度相關的電容器額定紋波電流倍數 紋波頻率也有類似的情況，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，三個元器件中的任何一個都是潛在的候選者；中間的這個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限制浪涌電流的熱敏電阻將進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，電容器電流下降到 585 mA，使 100 μF 電容器過大。此外，如果有 30% 的電壓紋波，則有效電容可能會降低到 68 μF 甚至 47 μF 的更低值。 電容器的表格顯示，如果適配器專門在高壓線路中運行，則可以使用更緊湊的器件。承受低壓線路中的大 rms 電流則需要一個大尺寸電容器，但當 rms 約束不太重要時，還需要針對 400 V 操作進行調整。這就提出了一個問題，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、可用于高壓線路運行的小型 400 V 電容器，并且，當適配器在低壓線路運行時并聯一個更大但額定值為 160 V 的電容器。圖 3 顯示了將兩個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 在第一個上電序列時，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路還是低壓線路操作。如果是高壓線路，則將一個信號發送到下游電源控制器，該控制器立即開始切換，因為其滿足了運行條件。同時，控制器開始使用恒流源為 CLL 緩慢充電，從而避免任何相關的電流浪涌。 當該電容器兩端的電壓達到 145 V 時，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，控制器會等待主電容 CHL 兩端的電壓與 CLL 的電壓匹配，再進行并聯過程，以避免在并聯具有不同端子電壓電平的電容器時出現任何電流尖峰。 如果輸入電壓再次上升并超過預定閾值，則低壓線路電容器 CLL 將安全斷開，并返回到涓流充電模式。如果第一個上電序列發生在低壓線路，則該過程會發生變化。在這種情況下，低壓線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，下游開關轉換器就可以開始運行。數據手冊中通常提到，在此模式下從初始交流連接開始的啟動時間為 250 ms。 如果高壓線電容器直接連接到橋式整流器，則電容器 CLL 穿過內部 MinE-CAP 開關。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，同時將結溫保持在安全區域內，這一點很重要。在考慮 PCB 布局和銅厚度的情況下評估結至環境的熱阻是設計過程的重要組成部分。 一個設計實例 這個設計過程可以用一個例子來說明，該例子顯示了一個在低至 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 鋁電容器產品組合中，UCY 系列中的三個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 顯示了具有單個高壓器件的電路與具有覆蓋不同電壓范圍的兩個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說是一個可觀的節省。當然，160 V 電容器的成本低于 400 V 類型。
圖 6：將兩個不同電壓和電容值的電容器組合起來代替一個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 開關（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，MinE-CAP 控制器通過偏置 InnoSwitch 電路的掉電引腳來啟用適配器，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 提高開關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，所選電容器可能會導致設計問題。 通過組合兩個不同電壓的電容器，MinE-CAP 控制器提供了一個巧妙的解決方案，以減少前端部分占用的體積。作為驅動下游轉換器（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 Power Integrations MinE-CAP 產品的更多信息，請訪問：www.power.com/products/mine-cap/mine-cap. |
