Platzeinsparung bei Zwischenkreiskondensatoren

Die Zwischenkreiskapazität in einem Sperrwandler bestimmt sich aus dem Worst Case, also bei minimaler Eingangsspannung. Für den Regelfall ist das aber überdimensioniert. Mit dem MinE-CAP stellt Power Integrations ein IC vor, das das Volumen von Netzadaptern bis 70 W um bis zu 40 Prozent reduziert.

Ladegeräte für Smartphones und Tablets nutzen meist einen Netzadapter. Und diese sollen natürlich immer kleiner bauen. Der klassische Ansatz dafür besteht darin, die Schaltfrequenz zu erhöhen. Dadurch lässt sich ein kleinerer Transformator verwenden. Aber das lässt sich wegen der Störabstrahlung und der Abwärme nur bis zu einem gewissen Grad nutzen.

Ein anderes voluminöses Bauelement in einem Netzadapter sind die Zwischenkreiskondensatoren. Deren Kapazität richtet sich nach der erforderlichen Überbrückungszeit (Hold-up Time) bei minimaler Eingangsspannung. Das bedeutet, dass für den Regelfall viel weniger Kapazität bei hoher Spannung (E = ½ CU²) ausreichen würde. Wenn man bei niedrigen Eingangsspannungen dann geladene Elektrolytkondensatoren mit niedriger Nennspannung zuschalten könnte, ließe sich Platz einsparen, denn das Volumen dieser Bauelemente skaliert linear mit der Spannung.

Das ist der Grundgedanke für MinE-CAP, ein neuartiges IC von Power Integrations. Der Baustein nutzt die geringe Größe und den niedrigen R_DS(on) der der Galliumnitrid-Transistoren des Unternehmens (PowiGaN), um aktiv und automatisch Segmente des Kondensatornetzwerks je nach Netzspannungsbedingungen zuzuschalten und abzutrennen.

Kapazität on-demand

Entwickler, die MinE-CAP verwenden, wählen den kleinsten Kondensator für hohe Netzspannungen und weisen den größten Teil der Energiespeicherung den Kondensatoren mit niedrigerer Nennspannung zu. Diese werden durch den Baustein geschützt, bis sie bei niedrigen Netzspannungen benötigt werden. Durch diesen Ansatz lässt sich die Größe der Eingangskondensatoren drastisch verringern, ohne dass die Ausgangswelligkeit oder der Gesamtwirkungsgrad beeinträchtigt wird oder der Transformator neu entworfen werden muss. Außerdem verringert der MinE-CAP wegen der niedrigeren Eingangskapazität den Einschaltstoßstrom signifikant, was den Einsatz von NTC-Thermistoren überflüssig macht. Dies erhöht die Systemeffizienz und reduziert die Abwärme weiter.

Der MinE-CAP reduziert die Gesamtgröße der Stromversorgung ebenso signifikant wie das Erhöhen der Schaltfrequenz. Gleichzeitig sind aber weniger Komponenten erforderlich und die Herausforderungen einer höheren elektromagnetischen Störstrahlung sowie die mit Hochfrequenz-Designs verbundenen erhöhten Anforderungen an Transformator und Klemmschaltung entfallen.

Allerdings nutzt der MinE-CAP nur für Netzadapter bis 70 W, die keine PFC-Stufe beinhalten müssen – also beispielsweise USB-PD-Ladegeräte bis 65 W.