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[导读]提供最紧凑、最高效的US-PD充电器已成为渴望在这个竞争激烈的市场中抢占份额的配件厂商的要求。随着手持设备的功能不断增加,以及快速充电协议成为标准,提供更多的电力已是一项关键要求。这些相互制约的设计要求正在催生一系列新的解决方案,这些方案当中要求离线反激式电源设计中PCB电路空间使用率必须最大化,此类标准解决方案要满足高达100W的充电器应用。

提供最紧凑、最高效的US-PD充电器已成为渴望在这个竞争激烈的市场中抢占份额的配件厂商的要求。随着手持设备的功能不断增加,以及快速充电协议成为标准,提供更多的电力已是一项关键要求。这些相互制约的设计要求正在催生一系列新的解决方案,这些方案当中要求离线反激式电源设计中PCB电路空间使用率必须最大化,此类标准解决方案要满足高达100W的充电器应用。

氮化镓功率开关的引入和精确的同步整流使效率水平超过了90%,从而降低了对导热片和散热片的要求。USB-PD充电协议要面临高度可变的负载条件,要求提供宽范围的输出电压和电流,这为工作效率带来了挑战。从这个角度来看,单电压65W的笔记本电脑适配器,其供电效率可以达到95%,在各种负载条件下相对保持一致。提供类似功率输出但支持USB-PD协议的设计在满载情况下最多只能实现93%的效率。在这种设计中,效率损失的主要原因在于输出电压范围较宽(5V至20V),这导致变压器匝数比折中和开关占空比变化较大,从而影响变压器磁通密度。

图1 – 65W单一输出电源与65W可变电压USB-PD设计(3V、5V-9V-12V-15V-20V)相比的最高实用效率

缩小电源尺寸的传统方法是利用氮化镓开关的极低开关损耗并提高电源的开关频率。这样就可以通过减少每个周期的开关导通时间来选择物理尺寸更小的功率变压器,从而降低单位磁芯面积的磁通密度。如上所述,由于需要满足多种工作条件,变压器设计时要对这些情况综合考虑,因此提高开关频率会给电路设计人员带来额外的负担。

提高开关频率对主氮化镓开关的影响很小,但是标准的低成本RCD初级箝位电路(用于防止在开关关断期间出现过大的电压过冲)在高频下会造成过高的损耗。有源箝位电路通常用于高频设计,以回收部分箝位能量。但需要搭配一个额外的高压氮化镓开关,这种方法可有效降低功率损耗,使小型设计成为可能。传统的设计采用互补模式的有源箝位电路,要求工作于DCM工作模式,这对通用USB-PD设计来说是一个挑战。这种拓扑结构还必须采用低容量的输出大电容来强制与反激电路的初级开关进行谐振开关(ZVS),这会进一步增加输出滤波级的设计复杂度。

缩小反激式电源尺寸的新方法

除了大尺寸的功率变压器外,离线电源中另一个重要的元件就是输入大电容。全球适用是对快速充电器的普遍要求。这通常意味着输入电压范围为90-264VAC,同时初级母线电压将在127VDC至374VDC的范围内。当输入电压下降时,每个工频周期内需要由大电容为反激级提供能量。电容的储能与输入电压的平方成正比。这意味着在低输入电压下,为了存储相同的能量,大电容的容量必须为高输入电压下工作所需容量的大约四倍。对于宽范围电源来说,这两个因素结合在一起,意味着大电容必须足够大(以容值计)以支持低电压,同时也要足够大(以电压计)以在最大高输入电压下安全工作。过度减小大电容的容值会导致输出纹波增加 – 这是大多数充电器应用的问题,而降低额定电压则会影响可靠性并大幅缩短电路寿命。给定容值的电解电容大小与额定电压的平方有关。这意味着高压、高容值的电容开始变得非常大。

图2 - 初级大电容的额定电压和储能与尺寸的关系

在充电器应用中,对更高的电压和更高的电容的要求不是同时提出的,无需同时满足。Power Integrations推出的一项新技术解决方案利用此条件,可在不提高开关频率的情况下,节省多达40%的电源尺寸。

图3 – 用于减小大电容尺寸的MinE-CAP电路

该电路的工作原理是:当输入电压较低时,利用开关增加电容,当输入电压上升到阈值电压以上时,断开低压大电容。电容开关在导通时必须通过初级开关电流,因此采用氮化镓器件在很小的面积内提供低RDS(on),以确保高效率。开关频率是工频频率的两倍,因此开关损耗可以忽略不计。这使设计人员可以组合使用低压、高容值器件以及低容值、高压电容。这种方法可以显著节省空间,将大电容的体积减少50%。

图4 - 与传统电源相比,采用MinE-CAP设计可节省空间

当输入电压低于安全阈值(150V)时,控制电路会检测到此变化,并将低压电容(通常采用额定电压160V的标准电容)接入电路。该控制器还确保低压电容保持充电状态,以便它们能够按需提供能量,并确保电容的性能不会随着时间的推移而下降 - 这是未充电的电解电容可能出现的问题。此外,控制器可在电源接通时管理电容充电,并在输入浪涌和电压骤升时提供快速保护。MinE-CAP IC可以与Power Integrations的InnoSwitch3和InnoSwitch3-Pro功率变换IC配合使用,并使用单引脚接口来控制它们在启动期间和故障情况下的操作。

在反激式电源中使用MinE-CAP降低浪涌电流

除了减小大电容的体积外,MinE-CAP还可大大减小开机时线路中的输入电容容量。这样实际上会消除浪涌电流应力,无需浪涌电流限制器(热敏电阻或NTC),从而提高电路的整体效率,消除主要发热点,并减轻整流桥和输入滤波器的应力。

图5 – 使用MinE-CAP与不使用MinE-CAP但使用传统1Ω或5Ω NTC的电源设计的浪涌电流i2t特性

结论

MinE-CAP最适合用于25至75W输出功率且不含PFC电路的电源设计。该电路还支持非充电器应用,适用于在输入电压不稳定的地区中工作的电源。第一批采用此项新技术的设计已经投入生产,与高开关频率的解决方案相比,元件数量少(仅需五个元件即可使MinE-CAP电路工作)可确保设计最大限度地缩小尺寸,同时降低制造难度。

补充内容

MinE-CAP在市电电压不稳定地区的应用

MinE-CAP的工作原理是,当输入电压超过“低压”类电容的额定电平时,会将电容切出电路。在发展中经济体中,交流输入电路可能会受到随机电压骤升的影响,该情况会在几秒钟或几分钟内大幅升高母线电压。用于工业设备和家电的传统充电器和电源为了解决这一问题,通常会使用串联低压电容或采用非常大的600V额定电压电容来确保大电容级处于安全工作电压下,从而加强对输入级的保护。MinE-CAP电路可用于在输入浪涌期间隔离大部分大电容,仅将一个很小的高压电容留在电路中(因为高压输入时可以更加容易地储存至所需的能量,以防止输出端出现100Hz的纹波)。这种方法意味着,通过引入MinE-CAP开关技术,可以缩减全球适用的输入级的尺寸和成本。

图6:使用MinE-CAP的印度版开关电源与传统电路的比较

换一批

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