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新的產品，比如將GaN技術引入其InnoSwitch3系列產品中，使得該系列IC可在整個負載范圍內提供95%的高效率，同時在密閉適配器內不使用散熱片的情況下可提供100W的功率輸出。

然而，客戶對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，更希望一個適配器可以給多種設備供/充電，這就需要適配器能夠支持多種快充協議，結果就是電源適配器的充電控制需要更加智能。

開關電源小型化面臨的挑戰

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目和復雜性就必然會增加。要實現更小的尺寸，最容易想到的辦法就是增加開關頻率，但在小型化過程中，電源設計工程師將會面臨兩大難題，一是溫升性能的挑戰；二是將開關頻率提升至300kHz以上后，由于各種元器件公差、變壓器零散性等的原因，會造成輸出特性在批量生產時難以保持一致性等問題。

圖1：提升開關電源頻率帶來的一些問題。（來源：PI）

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

圖2：典型的開關電源架構圖。（來源：PI）

其實，在任何一個開關電源中，除了變壓器，還有一個濾波電容的尺寸是很難縮小的，這個濾波的大電解電容與電源的峰值輸出功率有關，峰值輸出功率越大，大電容的容量就越大，同時這個大電容本身就是一個體積較大的元件，這就限制了開關電源的進一步縮小。

圖3：每個AC工頻周期期間大電容存儲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能量和釋放能量的過程，以及大電容的儲能公式，我們可以知道，如果儲存相同的能量，在高電壓輸入時，需要的電容就小；在低壓輸入時，需要的電容就大。

而如果想要開關電源在寬壓范圍內工作的話，就要求輸入濾波電容既要有更大的容量（低壓時），又要有更高的耐壓額定值（高壓時）。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的創新解決方案

為了解決這個難題，PI利用其在AC-DC領域多年的經驗，想到了一個新的辦法，可以不用提升開關頻率也能實現開關電源縮小的辦法。那就是利用他們新的MinE-CAP芯片來縮小大電解電容的體積，從而實現開關電源體積的縮小。

圖4：使用MinE-CAP來縮小開關電源尺寸的原理。（來源: PI）

那具體時如何實現的呢？Power Integrations（PI）資深技術經理閻金光(Jason Yan)解釋說，“我們在輸入端除了有一個電解電容外，還增加了一個低耐壓的電解電容，低耐壓電解電容與MinE-CAP內的PowiGaN開關相連。當輸入電壓比較低，需要更大電容時，我們就將PowiGaN開關打開，讓該電容與前面的高耐壓電容并聯使用，這樣就能保證低壓時的需要的大電容。”他同時還指出，MinE-CAP會有一個檢測引腳，一旦檢測到輸入母線電壓大于低耐壓的電容額定值時，PowiGaN開關就會斷開連接。這種方法可大幅縮小輸入大容量電容的尺寸，而不會影響輸出紋波、工作效率或無需重新設計變壓器。

可以看到，MinE-CAP器件其實就是利用了PI PowiGaN氮化鎵晶體管的小尺寸和低RDSon優勢，根據交流輸入電壓條件，主動、自動連接和斷開大容量電容網絡的各個部分。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到濾波電路中。通過優化選擇兩個電容，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，提高系統效率，并減少熱耗散；二是增加了總的電容容量，從而讓開關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，閻金光還展示了PI兩份全新設計范例報告(DER)，它們均采用MinE-CAP IC和Power Integrations的InnoSwitch3-Pro系列PowiGaN IC（型號INN3370C-H302）。DER-626是一款適用于手機/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設計的、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。

結語

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

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