為了將AC-DC解決方案的效率提升、尺寸做小，PI這幾年來推出了不少創(chuàng)新的產(chǎn)品，比如將GaN技術(shù)引入其InnoSwitch3系列產(chǎn)品中，使得該系列IC可在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提供95%的高效率，同時(shí)在密閉適配器內(nèi)不使用散熱片的情況下可提供100W的功率輸出。

然而，客戶對(duì)電源適配器的需求不僅僅要求充電速度更快，尺寸也需要更小，更希望一個(gè)適配器可以給多種設(shè)備供/充電，這就需要適配器能夠支持多種快充協(xié)議，結(jié)果就是電源適配器的充電控制需要更加智能。

開關(guān)電源小型化面臨的挑戰(zhàn)

要滿足高功率和更加智能的充電控制需求，電源適配器的元件數(shù)目和復(fù)雜性就必然會(huì)增加。要實(shí)現(xiàn)更小的尺寸，最容易想到的辦法就是增加開關(guān)頻率，但在小型化過程中，電源設(shè)計(jì)工程師將會(huì)面臨兩大難題，一是溫升性能的挑戰(zhàn)；二是將開關(guān)頻率提升至300kHz以上后，由于各種元器件公差、變壓器零散性等的原因，會(huì)造成輸出特性在批量生產(chǎn)時(shí)難以保持一致性等問題。

圖1：提升開關(guān)電源頻率帶來的一些問題。（來源：PI）

此外，更高的關(guān)頻率，可以把變壓器縮小；但EMI會(huì)更差，就需要更大的輸入濾波器；開關(guān)損耗也會(huì)相應(yīng)地增加，這就必須增加有源鉗位電路以降低緩沖電路和開關(guān)的損耗；這樣占板空間和成本會(huì)相應(yīng)增加。

圖2：典型的開關(guān)電源架構(gòu)圖。（來源：PI）

其實(shí)，在任何一個(gè)開關(guān)電源中，除了變壓器，還有一個(gè)濾波電容的尺寸是很難縮小的，這個(gè)濾波的大電解電容與電源的峰值輸出功率有關(guān)，峰值輸出功率越大，大電容的容量就越大，同時(shí)這個(gè)大電容本身就是一個(gè)體積較大的元件，這就限制了開關(guān)電源的進(jìn)一步縮小。

圖3：每個(gè)AC工頻周期期間大電容存儲(chǔ)能量和釋放能量的過程。（來源：PI）

從圖3中的顯示的大電容存儲(chǔ)能量和釋放能量的過程，以及大電容的儲(chǔ)能公式，我們可以知道，如果儲(chǔ)存相同的能量，在高電壓輸入時(shí)，需要的電容就?。辉诘蛪狠斎霑r(shí)，需要的電容就大。

而如果想要開關(guān)電源在寬壓范圍內(nèi)工作的話，就要求輸入濾波電容既要有更大的容量（低壓時(shí)），又要有更高的耐壓額定值（高壓時(shí)）。而為了支持大容量和高耐壓，電容制造商就必須要增加電容的尺寸，也就是說要增加這個(gè)大電解電容的體積。因此電源要想做小的話，難度就非常大了。

那有沒有什么更好的辦法呢？

PI的創(chuàng)新解決方案

為了解決這個(gè)難題，PI利用其在AC-DC領(lǐng)域多年的經(jīng)驗(yàn)，想到了一個(gè)新的辦法，可以不用提升開關(guān)頻率也能實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源縮小的辦法。那就是利用他們新的MinE-CAP芯片來縮小大電解電容的體積，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源體積的縮小。

圖4：使用MinE-CAP來縮小開關(guān)電源尺寸的原理。（來源: PI）

那具體時(shí)如何實(shí)現(xiàn)的呢？Power Integrations（PI）資深技術(shù)經(jīng)理閻金光(Jason Yan)解釋說，“我們在輸入端除了有一個(gè)電解電容外，還增加了一個(gè)低耐壓的電解電容，低耐壓電解電容與MinE-CAP內(nèi)的PowiGaN開關(guān)相連。當(dāng)輸入電壓比較低，需要更大電容時(shí)，我們就將PowiGaN開關(guān)打開，讓該電容與前面的高耐壓電容并聯(lián)使用，這樣就能保證低壓時(shí)的需要的大電容。”他同時(shí)還指出，MinE-CAP會(huì)有一個(gè)檢測引腳，一旦檢測到輸入母線電壓大于低耐壓的電容額定值時(shí)，PowiGaN開關(guān)就會(huì)斷開連接。這種方法可大幅縮小輸入大容量電容的尺寸，而不會(huì)影響輸出紋波、工作效率或無需重新設(shè)計(jì)變壓器。

可以看到，MinE-CAP器件其實(shí)就是利用了PI PowiGaN氮化鎵晶體管的小尺寸和低RDSon優(yōu)勢，根據(jù)交流輸入電壓條件，主動(dòng)、自動(dòng)連接和斷開大容量電容網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)部分。也就是說MinE-CAP的主要作用就是判斷是不是需要將低耐壓高容量的電容并聯(lián)到濾波電路中。通過優(yōu)化選擇兩個(gè)電容，來降低原來使用的大電解電容的體積。

此外，使用MinE-CAP還帶來了兩個(gè)好處，一是降低了浪涌電流，有助于省去NTC熱敏電阻，提高系統(tǒng)效率，并減少熱耗散；二是增加了總的電容容量，從而讓開關(guān)電源具有更高的峰值功率輸出能力。

圖5：使用MinE-CAP可將大容量電容的體積縮減50%。（來源：PI）

新器件采用微型MinSOP-16A封裝，可與Power Integrations的InnoSwitch系列電源IC無縫配合，所需外部元件極少，占板空間也很小。

圖6：MinE-CAP的封裝形式。（來源：PI）

同時(shí)，閻金光還展示了PI兩份全新設(shè)計(jì)范例報(bào)告(DER)，它們均采用MinE-CAP IC和Power Integrations的InnoSwitch3-Pro系列PowiGaN IC（型號(hào)INN3370C-H302）。DER-626是一款適用于手機(jī)/筆記本電腦充電器的提供3.3V - 21V PPS輸出的65W USB PD 3.0電源。該適配器只有信用卡大小，尺寸為82×51×12mm。

DER-822是一款使用INN3379C-H302設(shè)計(jì)的、適用于USB PD/PPS電源適配器的60W USB PD 3.0電源。

圖7：基于MinE-CAP IC和InnoSwitch3系列的信用卡大小電源適配器。

結(jié)語

傳統(tǒng)的功率變換解決方案通過提高開關(guān)頻率來使用更小的變壓器，從而減小電源尺寸。創(chuàng)新的MinE-CAP IC不僅可以大幅縮小電源的整體尺寸，同時(shí)還能減少元件數(shù)，降低EMI，并且避免與高頻設(shè)計(jì)相關(guān)的變壓器/箝位損耗增加的挑戰(zhàn)。

它適用于新興市場應(yīng)用的超寬輸入電壓范圍的電源，特別是不穩(wěn)定的電網(wǎng)電壓情況。好處是采用MinE-CAP方案具有更小的形狀系數(shù)，適用于平臺(tái)方案應(yīng)用。它的應(yīng)用范圍包括智能手機(jī)充電器、家電、電動(dòng)工具、以及儀表應(yīng)用等。