MinE－CAP 控制器如何縮小大容量電容器的尺寸-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯MinE－CAP控制器如何縮小大容量電容器的尺寸-設(shè)計(jì)應(yīng)用GaN功率開(kāi)關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)有效地回應(yīng)了市場(chǎng)對(duì)更輕、更緊湊的旅行電源適配器日益增長(zhǎng)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(zhuǎn)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?。捍笕萘侩娙萜鳌Ｔ撈骷c前端橋式整流器一起執(zhí)行真正的AC-DC轉(zhuǎn)換，然后為下游DC-DC轉(zhuǎn)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：電壓輸入決定了選擇，這通常導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員選擇難以容納在外殼中的超大器件?，F(xiàn)在PowerIntegrations推出了一款器件，它可以根據(jù)輸入電平在運(yùn)行中實(shí)時(shí)地構(gòu)建所需的電容值。如本文所示，這會(huì)大大減小系統(tǒng)總體積，幫助設(shè)計(jì)人員在提高電源適配器等設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(zhí)行平滑功能。輸出為恒定功率負(fù)載供電，該負(fù)載模擬閉環(huán)運(yùn)行的轉(zhuǎn)換器，吸收穩(wěn)壓輸出。

圖1：簡(jiǎn)化的前端橋式整流電路在圖1中，當(dāng)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(xù)到超過(guò)輸入線(xiàn)路的峰值。在剩余的時(shí)間內(nèi)，電容器不再充當(dāng)接收器，而是成為自動(dòng)為負(fù)載供電的發(fā)電機(jī)，直到下充電事件。因此，整流電壓由峰值和谷值組成，在此期間轉(zhuǎn)換器環(huán)路調(diào)整工作點(diǎn)以提供干凈、無(wú)紋波的輸出電壓。轉(zhuǎn)換器必須能夠在從滿(mǎn)載到谷底的范圍內(nèi)運(yùn)行，并在交流輸入電壓下、以峰值和谷值之間的平均電流值支持熱應(yīng)力。理解這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樗鼪Q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(duì)設(shè)計(jì)人員很有吸引力，但谷值電壓過(guò)低會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)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(xiǎn)。除此之外，也可能需要考慮保持時(shí)間要求，并影響終選擇。識(shí)別電容器限制條件各種電氣或物理參數(shù)會(huì)影響電容器的選擇，但重要的是電壓和工作溫度；后者與rms電流值密切相關(guān)。隨著溫度升高并接近數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的值，必須考慮降額系數(shù)，以限度地延長(zhǎng)工作壽命。對(duì)于鋁電解類(lèi)型，降額系數(shù)接近電壓的30%是很常見(jiàn)的，建議隨著器件的升溫進(jìn)一步增大此安全裕度值。在以輸入85Vrms運(yùn)行的旅行適配器中，整流電壓峰值為120V，并且在以127Vrms北美電源運(yùn)行的系統(tǒng)中可增加到180V。在歐洲插座中，電源可高達(dá)265Vrms，標(biāo)稱(chēng)值為230Vrms，這將大容量電容器偏置為375V。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員通常根據(jù)輸入電壓選擇大容量電容器：400V額定值的電容器非常受歡迎?？紤]到325V的標(biāo)稱(chēng)高壓線(xiàn)路工作電壓（標(biāo)稱(chēng)230Vrms），它在正常工作條件下為電容器提供了19%的降額系數(shù)。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電流必須在壞情況下進(jìn)行評(píng)估，并應(yīng)指導(dǎo)電容器的選擇。忽略這一重要步驟會(huì)嚴(yán)重縮短使用壽命，甚至導(dǎo)致元器件故障。可以分析計(jì)算電流1或依靠仿真來(lái)評(píng)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(nèi)提供結(jié)果。在這里，具有2.4?ESR的電容器提供了0.2的典型損耗因數(shù)(tan)（在20°C溫度下）和120Hz紋波電流。在此示例中，負(fù)載是60W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(zhí)行AC-DC整流電壓紋波為33%時(shí)，谷值電壓達(dá)到70V：該值決定了60W轉(zhuǎn)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(wěn)定在1.1A左右。在這個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)置中，電流由100Hz或120Hz周期組成，但不包括代表下游轉(zhuǎn)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(píng)估過(guò)程中加以考慮。選擇合適的電容器允許rms電流根據(jù)工作溫度的不同而有很大差異。與許多功率元件一樣，電容器在低于其溫度工作時(shí)可以承載更多電流。表1顯示，對(duì)于額定溫度為85°C的電容器，在55°C下工作時(shí)，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(shù)紋波頻率也有類(lèi)似的情況，其中壞的情況對(duì)應(yīng)于頻率：轉(zhuǎn)換器吸收的高頻脈沖的影響應(yīng)該小于100Hz或120Hz紋波的影響。在電容器溫度限制為55°C的60W適配器中，能在85°C下接受730mA電流的100μF類(lèi)型就足夠了。

表2：在低于其額定值的溫度下運(yùn)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12.7cm3。用于在插入轉(zhuǎn)換器時(shí)限制浪涌電流的熱敏電阻將進(jìn)一步增加系統(tǒng)的電路板占用空間。

在圖2的仿真中，當(dāng)將電源增加到230Vrms時(shí)，電容器電流下降到585mA，使100μF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68μF甚至47μF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(yùn)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(dāng)rms約束不太重要時(shí)，還需要針對(duì)400V操作進(jìn)行調(diào)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(yīng)電源輸入的變化。按需調(diào)節(jié)電容值這就是PowerIntegrationsMinE-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(yùn)行的小型400V電容器，并且，當(dāng)適配器在低壓線(xiàn)路運(yùn)行時(shí)并聯(lián)一個(gè)更大但額定值為160V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：PowerIntegrations的控制器確保根據(jù)輸入電壓選擇合適的電容值在個(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(cè)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(hào)發(fā)送到下游電源控制器，該控制器立即開(kāi)始切換，因?yàn)槠錆M(mǎn)足了運(yùn)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(dāng)該電容器兩端的電壓達(dá)到145V時(shí)，充電序列結(jié)束。然后電容器兩端的電壓由控制器調(diào)節(jié)。當(dāng)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(xiàn)任何電流尖峰。如果輸入電壓再次上升并超過(guò)預(yù)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(yù)期窗口內(nèi)，下游開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器就可以開(kāi)始運(yùn)行。數(shù)據(jù)手冊(cè)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250ms。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(nèi)部MinE-CAP開(kāi)關(guān)。在100°C的工作結(jié)溫下，該晶體管的性能受到620m?的典型導(dǎo)通電阻的影響。因此，驗(yàn)證低壓電容器提供的rms電流是否與器件可以耗散的功率一致，同時(shí)將結(jié)溫保持在安全區(qū)域內(nèi)，這一點(diǎn)很重要。在考慮PCB布局和銅厚度的情況下評(píng)估結(jié)至環(huán)境的熱阻是設(shè)計(jì)過(guò)程的重要組成部分。一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例這個(gè)設(shè)計(jì)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85Vrms的通用電源輸入下運(yùn)行的65W適配器的前端電容計(jì)算。假設(shè)具有42%的紋波和低至70V的可接受的谷值電壓，則電容計(jì)算值為112μF，歸一化為120μF的上限值。圖4的仿真顯示紋波電流為1.3Arms。在Nichicon的400V鋁電容器產(chǎn)品組合中，UCY系列中的三個(gè)器件適用于在溫度105°C以下的工作條件。

這些電容器的體積在8cm3和9cm3之間，并且可以單獨(dú)支持整個(gè)輸入電壓范圍。除了Nichicon，SurgeComponents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。與初選擇的高壓型號(hào)相比，低壓型號(hào)的體積減小了51%。在195Vrms輸入下運(yùn)行相同的仿真，對(duì)應(yīng)于230V標(biāo)稱(chēng)電壓的低電平，rms電流計(jì)算為551mA。22μF電容器將使谷值電壓下降到180V左右：這對(duì)于下游轉(zhuǎn)換器是可以接受的。查看該高壓器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，27μF或33μF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(duì)于高密度電源適配器的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)可觀(guān)的節(jié)省。當(dāng)然，160V電容器的成本低于400V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PowerIntegrations開(kāi)關(guān)（例如應(yīng)用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65W適配器中，MinE-CAP將39μF/400V電容器與較低電壓的100μF/160V器件配對(duì)。

圖7：應(yīng)用框圖顯示了轉(zhuǎn)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(wěn)壓器設(shè)置。輔助繞組提供原始直流電壓并提供待機(jī)性能。當(dāng)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5V至20V范圍內(nèi)的四種可能輸出電壓之一。