縮小高效充電器的尺寸

提供最緊湊、最高效的US-PD充電器已成為渴望在這個(gè)競爭激烈的市場中搶占份額的配件廠商的要求。隨著手持設(shè)備的功能不斷增加，以及快速充電協(xié)議成為標(biāo)準(zhǔn)，提供更多的電力已是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。這些相互制約的設(shè)計(jì)要求正在催生一系列新的解決方案，這些方案當(dāng)中要求離線反激式電源設(shè)計(jì)中PCB電路空間使用率必須最大化，此類標(biāo)準(zhǔn)解決方案要滿足高達(dá)100W的充電器應(yīng)用。

氮化鎵功率開關(guān)的引入和精確的同步整流使效率水平超過了90%，從而降低了對導(dǎo)熱片和散熱片的要求。USB-PD充電協(xié)議要面臨高度可變的負(fù)載條件，要求提供寬范圍的輸出電壓和電流，這為工作效率帶來了挑戰(zhàn)。從這個(gè)角度來看，單電壓65W的筆記本電腦適配器，其供電效率可以達(dá)到95%，在各種負(fù)載條件下相對保持一致。提供類似功率輸出但支持USB-PD協(xié)議的設(shè)計(jì)在滿載情況下最多只能實(shí)現(xiàn)93%的效率。在這種設(shè)計(jì)中，效率損失的主要原因在于輸出電壓范圍較寬(5V至20V)，這導(dǎo)致變壓器匝數(shù)比折中和開關(guān)占空比變化較大，從而影響變壓器磁通密度。

圖1 – 65W單一輸出電源與65W可變電壓USB-PD設(shè)計(jì)(3V、5V-9V-12V-15V-20V)相比的最高實(shí)用效率

縮小電源尺寸的傳統(tǒng)方法是利用氮化鎵開關(guān)的極低開關(guān)損耗并提高電源的開關(guān)頻率。這樣就可以通過減少每個(gè)周期的開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間來選擇物理尺寸更小的功率變壓器，從而降低單位磁芯面積的磁通密度。如上所述，由于需要滿足多種工作條件，變壓器設(shè)計(jì)時(shí)要對這些情況綜合考慮，因此提高開關(guān)頻率會給電路設(shè)計(jì)人員帶來額外的負(fù)擔(dān)。

提高開關(guān)頻率對主氮化鎵開關(guān)的影響很小，但是標(biāo)準(zhǔn)的低成本RCD初級箝位電路(用于防止在開關(guān)關(guān)斷期間出現(xiàn)過大的電壓過沖)在高頻下會造成過高的損耗。有源箝位電路通常用于高頻設(shè)計(jì)，以回收部分箝位能量。但需要搭配一個(gè)額外的高壓氮化鎵開關(guān)，這種方法可有效降低功率損耗，使小型設(shè)計(jì)成為可能。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用互補(bǔ)模式的有源箝位電路，要求工作于DCM工作模式，這對通用USB-PD設(shè)計(jì)來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還必須采用低容量的輸出大電容來強(qiáng)制與反激電路的初級開關(guān)進(jìn)行諧振開關(guān)(ZVS)，這會進(jìn)一步增加輸出濾波級的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

縮小反激式電源尺寸的新方法

除了大尺寸的功率變壓器外，離線電源中另一個(gè)重要的元件就是輸入大電容。全球適用是對快速充電器的普遍要求。這通常意味著輸入電壓范圍為90-264VAC，同時(shí)初級母線電壓將在127VDC至374VDC的范圍內(nèi)。當(dāng)輸入電壓下降時(shí)，每個(gè)工頻周期內(nèi)需要由大電容為反激級提供能量。電容的儲能與輸入電壓的平方成正比。這意味著在低輸入電壓下，為了存儲相同的能量，大電容的容量必須為高輸入電壓下工作所需容量的大約四倍。對于寬范圍電源來說，這兩個(gè)因素結(jié)合在一起，意味著大電容必須足夠大(以容值計(jì))以支持低電壓，同時(shí)也要足夠大(以電壓計(jì))以在最大高輸入電壓下安全工作。過度減小大電容的容值會導(dǎo)致輸出紋波增加 – 這是大多數(shù)充電器應(yīng)用的問題，而降低額定電壓則會影響可靠性并大幅縮短電路壽命。給定容值的電解電容大小與額定電壓的平方有關(guān)。這意味著高壓、高容值的電容開始變得非常大。

圖2 - 初級大電容的額定電壓和儲能與尺寸的關(guān)系

在充電器應(yīng)用中，對更高的電壓和更高的電容的要求不是同時(shí)提出的，無需同時(shí)滿足。Power Integrations推出的一項(xiàng)新技術(shù)解決方案利用此條件，可在不提高開關(guān)頻率的情況下，節(jié)省多達(dá)40%的電源尺寸。

圖3 – 用于減小大電容尺寸的MinE-CAP電路

該電路的工作原理是：當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，利用開關(guān)增加電容，當(dāng)輸入電壓上升到閾值電壓以上時(shí)，斷開低壓大電容。電容開關(guān)在導(dǎo)通時(shí)必須通過初級開關(guān)電流，因此采用氮化鎵器件在很小的面積內(nèi)提供低RDS(on)，以確保高效率。開關(guān)頻率是工頻頻率的兩倍，因此開關(guān)損耗可以忽略不計(jì)。這使設(shè)計(jì)人員可以組合使用低壓、高容值器件以及低容值、高壓電容。這種方法可以顯著節(jié)省空間，將大電容的體積減少50%。

圖4 - 與傳統(tǒng)電源相比，采用MinE-CAP設(shè)計(jì)可節(jié)省空間

當(dāng)輸入電壓低于安全閾值(150V)時(shí)，控制電路會檢測到此變化，并將低壓電容(通常采用額定電壓160V的標(biāo)準(zhǔn)電容)接入電路。該控制器還確保低壓電容保持充電狀態(tài)，以便它們能夠按需提供能量，并確保電容的性能不會隨著時(shí)間的推移而下降 - 這是未充電的電解電容可能出現(xiàn)的問題。此外，控制器可在電源接通時(shí)管理電容充電，并在輸入浪涌和電壓驟升時(shí)提供快速保護(hù)。MinE-CAP IC可以與Power Integrations的InnoSwitch3和InnoSwitch3-Pro功率變換IC配合使用，并使用單引腳接口來控制它們在啟動(dòng)期間和故障情況下的操作。

在反激式電源中使用MinE-CAP降低浪涌電流

除了減小大電容的體積外，MinE-CAP還可大大減小開機(jī)時(shí)線路中的輸入電容容量。這樣實(shí)際上會消除浪涌電流應(yīng)力，無需浪涌電流限制器(熱敏電阻或NTC)，從而提高電路的整體效率，消除主要發(fā)熱點(diǎn)，并減輕整流橋和輸入濾波器的應(yīng)力。

圖5 – 使用MinE-CAP與不使用MinE-CAP但使用傳統(tǒng)1Ω或5Ω NTC的電源設(shè)計(jì)的浪涌電流i2t特性

結(jié)論

MinE-CAP最適合用于25至75W輸出功率且不含PFC電路的電源設(shè)計(jì)。該電路還支持非充電器應(yīng)用，適用于在輸入電壓不穩(wěn)定的地區(qū)中工作的電源。第一批采用此項(xiàng)新技術(shù)的設(shè)計(jì)已經(jīng)投入生產(chǎn)，與高開關(guān)頻率的解決方案相比，元件數(shù)量少(僅需五個(gè)元件即可使MinE-CAP電路工作)可確保設(shè)計(jì)最大限度地縮小尺寸，同時(shí)降低制造難度。

補(bǔ)充內(nèi)容

MinE-CAP在市電電壓不穩(wěn)定地區(qū)的應(yīng)用

MinE-CAP的工作原理是，當(dāng)輸入電壓超過“低壓”類電容的額定電平時(shí)，會將電容切出電路。在發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體中，交流輸入電路可能會受到隨機(jī)電壓驟升的影響，該情況會在幾秒鐘或幾分鐘內(nèi)大幅升高母線電壓。用于工業(yè)設(shè)備和家電的傳統(tǒng)充電器和電源為了解決這一問題，通常會使用串聯(lián)低壓電容或采用非常大的600V額定電壓電容來確保大電容級處于安全工作電壓下，從而加強(qiáng)對輸入級的保護(hù)。MinE-CAP電路可用于在輸入浪涌期間隔離大部分大電容，僅將一個(gè)很小的高壓電容留在電路中(因?yàn)楦邏狠斎霑r(shí)可以更加容易地儲存至所需的能量，以防止輸出端出現(xiàn)100Hz的紋波)。這種方法意味著，通過引入MinE-CAP開關(guān)技術(shù)，可以縮減全球適用的輸入級的尺寸和成本。

圖6：使用MinE-CAP的印度版開關(guān)電源與傳統(tǒng)電路的比較