如今智能化、小型化、轻量化已成为电子产品发展的重要趋势之一,越来越多的消费者倾向于体积小、重量轻、便携带产品所带来的全新体验。相比较于大型的设备而言,更小意味着提高了消费者对于产品放置的空间利用率,而且在日常维护中也相对省心不少。
但是目前市场上真正适用于市场需求的小型化产品并不算多,一些功能不完备、性能不够理想、质量不可靠的产品远远没有原来的产品设备实用。那么这就要求企业在对产品小型化设计与质量研发保证的过程中避免顾此失彼的现象。
日前,PowerIntegrations(PI)举行的线上发布会,就针对市场小型化的趋势介绍了创新式技术MinE-CAP器件。据(PI)资深技术培训经理JasonYan介绍,该款产品是一款针对提高系统效率与缩小AC-DC变换器体积的元器件。产品亮点是它可以大幅缩小输入大容量电容的尺寸,减小高达95%的浪涌电流,无需NTC热敏电阻并且避免相关损耗。
MinE-CAP器件满足缩小尺寸的需求
首先该器件是如何在如此小的空间内,将组件效率提高并减小尺寸的呢?阎金光表示,以充电器/适配器为例,目前的消费市场趋势是需要更高功率以实现快速充电,而电源的尺寸则需要越小越好,但这在设计层面上来说就会面临着矛盾选择的难题,因为想要提高充电效率,必须增加额外的电路,而复杂的充电控制会增加电源的元件数目及复杂性,如动态精确的电压和电流调整(如:USB-PD/PPS、VOOC等)或由移动设备进行软件控制,所有这些功能的增加势必会使得小尺寸电源的设计难度变大。
传统的电源设计一般都会采用提高开关频率的办法来降低电源尺寸。而开关频率的增加会带来相应的开关损耗的增加,产生温升问题。解决的办法往往是采用有源箝位技术,而这无形当中又会造成成本的增加。正所谓牵一发而动全身,开关频率、输入电压等问题在影响着变压器和大容量电容器的体积大小。要知道,每个AC工频周期期间大电容均会储存释放能量,相对于高压输入状态,低压输入(90-132VAC)时需要多达4倍的输入滤波电容容量;高压输入(176-264VAC)时尽管储能所需的容量较小,但其高压输入必须能够耐受更高的直流母线电压。因此,宽压范围工作要求输入滤波电容具有足够大的容量(满足低压时的储能要求)及更高的耐压额定值(高压输入时)。这样的要求组合必然使得电容厂家难以将电容尺寸做小,因电容的体积直接跟容量和耐压相关,电源设计工程师不得不选择体积更大的电容以满足宽电压输入范围的设计要求。
如果坚持通过提高开关频率来减小电源尺寸,反而会使小尺寸的变压器掉进EMI及效率能否在批量生产中保持一致性的陷阱中去。那么怎样在不提升开关频率的情况下减小电源体积呢?PI全新的MinE-CAP?器件可以做到,在低压输入时将与其串联的低压电容接入直流母线两端,而在高压输入时将此电容与母线断开,以保证此电容不会承受过高的电压。由于此外加电容的耐压比较低,因而其体积可大大缩小。MinE-CAP当中的开关采用的是PI的高效的PowiGaN氮化镓开关,由于其极低的导通电阻,可以保证低压电容接入直流母线时直流母线两端的串联等效电阻不致过大,这对于降低纹波及改善差模EMI均有好处。
此外,该器件非常适合于通用输入AC-DC变换器的设计,相对于采用有源箝位技术并增加频率来降低电源尺寸的方法,使用MinE-CAP的方案总体元件数目可以更少,且不会面临高频设计当中不得不面临的EMI挑战。据阎金光介绍,新器件采用微型MinSOP-16(SMT)封装,相对于空间利用率很高的InSOP24封装进一步缩小了50%。由于母线两端电容容量的降低(在高压输入情况下),因而可大幅减小浪涌电流,省去输入端为抑制浪涌电流常用的NTC热敏电阻元件,再也不担心由于NTC热敏电阻所产生的局部发热现象,提高了系统效率,并有助于减小在启机期间整流桥和保险丝所承受的电流应力。
MinE-CAP还可与InnoSwitch3/Pro器件完美协同工作,并将旧有的65WUSB-PD电源产品缩减至信用卡大小的尺寸,且实现超薄设计。具体尺寸可以做到82x51x12mm。
不得不承认其产品的强大技术实力可见一斑。以上这些创新型的性能方法,使得工程师在设计的时候可根据需要选择优化高低压电容的组合,选取合适的高压电容以实现降低浪涌,选取相应的低压电容以满足电源的峰值功率输出要求。
可服务于全球不同地区市场应用
众所周知,世界每个国家地区的电压标准是不一致的,国际上主流的电压范围有220V与110V,也有的国家是100V、200V、230V等诸多不同电压标准。原则上来说,越低的电压自然是安全性越高。但在发生触电的情况下,真正决定安全性的不仅仅是经过的电流大小,更是与触电环境有关。
以印度地区为例,该地区的电网系统往往极不稳定,波动范围也较大,且伴随着多雷暴、高温高湿的天气状况,导致电流过大或断电的现象经常发生。这种用电环境使得电源设计工程师在选择输入滤波电容时不得不使用很多昂贵且不必要的高压电容器件,对这些电容采用各种串并联的组合连接,以满足容量和耐压方面的要求。如600V耐压电容或采用串联叠加的400V耐压电容以适应输入电压的骤升情况。
针对这种新兴市场的应用需求,MinE-CAP可以实现在尺寸不变的情况下输出更高的峰值功率(因在电压时可以保证足够大的电容容量),而在高压输入时将低压电容与直流母线断开,使低电压电容免受电网电压剧烈波动的影响,这种方法可极大地降低输入高压电容的数目,使得电源设计满足超宽输入电压范围的用电环境。
总之,MinE-CAP的主要优势体现在针对宽范围输入的电源设计降低了输入滤波电容的尺寸,实现高功率密度电源的设计;降低了输入浪涌,进而可以降低输入整流桥和保险丝的电流应力；消除电源的局部发热点,提升了效率。适合超宽输入电压范围的电源设计应用。
