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MinE-CAP 控制器如何缩小大容量电容器的尺寸

关键词:MinE-CAP 控制器 电容器

时间:2022-09-23 10:37:08      来源:富昌电子

GaN 功率开关技术的出现有效地回应了市场对更轻、更紧凑的旅行电源适配器日益增长的需求:GaN 高电子迁移率晶体管的快速开关能力使开发非常高密度的转换器成为可能。

作者:Christophe Basso

GaN 功率开关技术的出现有效地回应了市场对更轻、更紧凑的旅行电源适配器日益增长的需求:GaN 高电子迁移率晶体管的快速开关能力使开发非常高密度的转换器成为可能。

然而,虽然开关频率的提高使主变压器的体积大幅减小,但其中一个器件仍然难以缩小:大容量电容器。该器件与前端桥式整流器一起执行真正的 AC-DC 转换,然后为下游 DC-DC 转换器提供整流轨。大容量电容器的选择取决于其电压和电流额定值:最高电压输入决定了选择,这通常导致设计人员选择难以容纳在外壳中的超大器件。

现在 Power Integrations 推出了一款器件,它可以根据输入电平在运行中实时地构建所需的电容值。如本文所示,这会大大减小系统总体积,帮助设计人员在提高电源适配器等设备的功率密度方面取得进一步进展。  

确定电容值

在讨论大容量电容器的选择标准之前,让我们看一下图 1 所示的简化前端部分。桥式整流器从墙式插座接收正弦电压,电容器执行平滑功能。 输出为恒定功率负载供电,该负载模拟闭环运行的转换器,吸收稳压输出。


图 1:简化的前端桥式整流电路

在图 1 中,当输入正弦电压超过其端子两端的电压加上两个二极管压降时,电容器被充电。充电大致持续到超过输入线路的峰值。在剩余的时间内,电容器不再充当接收器,而是成为自动为负载供电的发电机,直到下一次充电事件。因此,整流电压由峰值和谷值组成,在此期间转换器环路调整工作点以提供干净、无纹波的输出电压。

转换器必须能够在从满载到谷底的范围内运行,并在最低交流输入电压下、以峰值和谷值之间的平均电流值支持热应力。理解这一点很重要,因为它决定了电容器的选择。出于尺寸和成本的原因,降低该值可能对设计人员很有吸引力,但谷值电压过低会导致转换器在如此低的输入下尺寸过大。

因此,过功率条件可能在高压线路中发生,从而使电路的安全性面临风险。除此之外,也可能需要考虑保持时间要求,并影响最终选择。

识别电容器限制条件

各种电气或物理参数会影响电容器的选择,但最重要的是电压和工作温度;后者与 rms 电流值密切相关。随着温度升高并接近数据手册中规定的最大值,必须考虑降额系数,以最大限度地延长工作寿命。对于铝电解类型,降额系数接近最大电压的 30% 是很常见的,建议随着器件的升温进一步增大此安全裕度值。

在以最低输入 85 Vrms 运行的旅行适配器中,整流电压峰值为 120 V,并且在以 127 Vrms 北美电源运行的系统中可增加到 180 V。在欧洲插座中,电源可高达 265 Vrms,标称值最大为 230 Vrms,这将大容量电容器偏置为 375 V。根据这些数据,设计人员通常根据最高输入电压选择大容量电容器:400 V 额定值的电容器非常受欢迎。考虑到 325 V 的标称高压线路工作电压(标称 230 Vrms),它在正常工作条件下为电容器提供了 19% 的降额系数。

电容器温度受元器件中流动的 rms 电流及其工作环境温度的影响。rms 电流必须在最坏情况下进行评估,并应指导电容器的选择。忽略这一重要步骤会严重缩短使用寿命,甚至导致元器件故障。

可以分析计算电流1或依靠仿真来评估电容器中循环的电流的 rms 含量。图 2 显示了一个典型示例,其中 SIMPLIS® 电路可在几秒钟内提供结果。在这里,具有 2.4 Ω ESR 的电容器提供了0.2 的典型损耗因数 (tan)(在 20°C 温度下)和 120 Hz 纹波电流。在此示例中,负载是 60 W 适配器。


图 2:前端部分由一个二极管电桥和一个电容器组成,用于执行 AC-DC 整流

电压纹波为 33% 时,谷值电压达到 70 V:该值决定了 60 W 转换器的大小,并留有余量。经过浪涌后,电容器的 rms 电流稳定在 1.1 A 左右。在这个简单的设置中,电流由 100 Hz 或 120 Hz 周期组成,但不包括代表下游转换器特征的高频脉冲。这些脉冲也会加热电容器,并且必须在评估过程中加以考虑。

选择合适的电容器

最大允许 rms 电流根据工作温度的不同而有很大差异。与许多功率元件一样,电容器在低于其最高温度工作时可以承载更多电流。表 1 显示,对于额定最高温度为 85°C 的电容器,在 55°C 下工作时,最大允许 rms 电流可增加 50%。


表 1:与频率和工作温度相关的电容器额定纹波电流倍数

纹波频率也有类似的情况,其中最坏的情况对应于最低频率:转换器吸收的高频脉冲的影响应该小于 100 Hz 或 120 Hz 纹波的影响。在电容器最高温度限制为 55°C 的 60 W 适配器中,能在 85 °C 下接受 730 mA 电流的 100 μF 类型就足够了。


表 2:在低于其最大额定值的温度下运行的电容器能够承载更高的电流

正如表 2 所示,三个元器件中的任何一个都是潜在的候选者;中间的这个提供了一些额外的余量。该电容器的体积约为 12.7 cm3。用于在插入转换器时限制浪涌电流的热敏电阻将进一步增加系统的电路板占用空间。

在图 2 的仿真中,当将电源增加到 230 Vrms 时,电容器电流下降到 585 mA,使 100 μF 电容器过大。此外,如果有 30% 的电压纹波,则有效电容可能会降低到 68 μF 甚至 47 μF 的更低值。

电容器的表格显示,如果适配器专门在高压线路中运行,则可以使用更紧凑的器件。承受低压线路中的大 rms 电流则需要一个大尺寸电容器,但当 rms 约束不太重要时,还需要针对 400 V 操作进行调整。这就提出了一个问题,即是否可以改变电容值以响应电源输入的变化。

按需调节电容值

这就是 Power Integrations MinE-CAP® 控制器背后的理念:它支持选择具有低 rms 能力、可用于高压线路运行的小型 400 V 电容器,并且,当适配器在低压线路运行时并联一个更大但额定值为 160 V 的电容器。图 3 显示了将两个电容器安装在板上的原理。


图 3:Power Integrations 的控制器确保根据输入电压选择合适的电容值

在第一个上电序列时,高压电容器 CHL 立即被充电,但其低电容值限制了浪涌电流。然后控制器检测输入电平,并了解它是处于高压线路还是低压线路操作。如果是高压线路,则将一个信号发送到下游电源控制器,该控制器立即开始切换,因为其满足了运行条件。同时,控制器开始使用恒流源为 CLL 缓慢充电,从而避免任何相关的电流浪涌。

当该电容器两端的电压达到 145 V 时,充电序列结束。然后电容器两端的电压由控制器调节。当适配器的输入电压降至较低的值时,控制器会等待主电容 CHL 两端的电压与 CLL 的电压匹配,再进行并联过程,以避免在并联具有不同端子电压电平的电容器时出现任何电流尖峰。

如果输入电压再次上升并超过预定阈值,则低压线路电容器 CLL 将安全断开,并返回到涓流充电模式。如果第一个上电序列发生在低压线路,则该过程会发生变化。在这种情况下,低压线路电容器将以更快的电流充电,一旦所有电压都在预期窗口内,下游开关转换器就可以开始运行。数据手册中通常提到,在此模式下从初始交流连接开始的启动时间为 250 ms。

如果高压线电容器直接连接到桥式整流器,则电容器 CLL 穿过内部 MinE-CAP 开关。在 100°C 的最高工作结温下,该晶体管的性能受到 620 mΩ 的典型导通电阻的影响。因此,验证低压电容器提供的 rms 电流是否与器件可以耗散的最大功率一致,同时将结温保持在安全区域内,这一点很重要。在考虑 PCB 布局和铜厚度的情况下评估结至环境的热阻是设计过程的重要组成部分。

一个设计实例

这个设计过程可以用一个例子来说明,该例子显示了一个在低至 85 Vrms 的通用电源输入下运行的 65 W 适配器的前端电容计算。假设具有 42% 的纹波和低至 70 V 的可接受的谷值电压,则电容计算值为 112 μF,归一化为 120 μF 的上限值。图 4 的仿真显示纹波电流为 1.3 Arms。在 Nichicon 的 400 V 铝电容器产品组合中,UCY 系列中的三个器件适用于在最高温度 105°C 以下的工作条件。


图 4:根据仿真和数据手册,Nichicon 的三个电容器可能是潜在的候选者

这些电容器的体积在 8cm3和 9cm3之间,并且可以单独支持整个输入电压范围。 除了 Nichicon,Surge Components 也为这些整流功能提供了丰富的电容器选择:RLA 或 RLD 系列的器件也符合要求。

将搜索范围缩小到仅 160 V 类型,择 150 μF 电容器将是合适的选择。如图 5 所示。


图 5:与高压型相比,160 V 电容器的体积显著减小

与最初选择的高压型号相比,低压型号的体积减小了 51%。在 195 Vrms 输入下运行相同的仿真,对应于 230 V 标称电压的低电平,rms 电流计算为 551 mA。22 μF 电容器将使谷值电压下降到 180 V 左右:这对于下游转换器是可以接受的。查看该高压器件的数据手册可知,27 μF 或 33 μF 电容器是合适的选择。

图 6 显示了具有单个高压器件的电路与具有覆盖不同电压范围的两个电容器的电路的比较:双电容器解决方案将总体积减小了 30%,对于高密度电源适配器的设计人员来说是一个可观的节省。当然,160 V 电容器的成本低于 400 V 类型。


图 6:将两个不同电压和电容值的电容器组合起来代替一个大电容器在体积和成本方面是有利的

MinE-CAP 控制器旨在与 Power Integrations 开关(例如应用报告 DER-626 中描述的 InnoSwitch™3-PRO)配合使用。电气图如图 7 所示。在这款高密度 65 W 适配器中,MinE-CAP 将 39 μF/400 V 电容器与较低电压的 100 μF/160 V 器件配对。


图 7:应用框图显示了转换器前端部分的 MinE-CAP® 控制器

MinE-CAP 和 InnoSwitch 器件共享一个公共 Vcc 轨,其电平由基于齐纳二极管的稳压器设置。辅助绕组提供原始直流电压并提供最佳待机性能。当工作条件有效时,MinE-CAP 控制器通过偏置 InnoSwitch 电路的掉电引脚来启用适配器,并且适配器可以提供 5 V 至 20 V 范围内的四种可能输出电压之一。

小结

提高开关转换器的工作频率有助于减小磁性元件的尺寸,但它对减小大容量电容器的体积没有任何作用。在空间受限的设计(例如高密度适配器)中,由于额定电压高达 400 V 的器件的尺寸较大,所选电容器可能会导致设计问题。

通过组合两个不同电压的电容器,MinE-CAP 控制器提供了一个巧妙的解决方案,以减少前端部分占用的体积。作为驱动下游转换器(如 InnoSwitch 器件)的配套芯片,该组合设计为重要的高密度适配器设计人员提供了有用的解决方案。

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