常见 ACDC 电源拓扑中低功率 GaN 的优势

消费者需要为其日常携带的各种电子设备提供便携式、快速且高效的充电器。随着越来越多的电子产品转向USB Type-C®充电器，对可用于为任何设备充电的紧凑型电源适配器的需求正在迅速增加。

设计用于PC、电视等的现代消费类USB Type-C移动适配器和电源时面临的挑战是保持或提高功率水平，同时减小解决方案尺寸。 TI的低功耗氮化镓 (GaN )器件以非常常见的拓扑解决了这一挑战，同时提供散热、尺寸和集成优势。除了近几十年来GaN等宽带隙技术的发展之外，各种AC/DC拓扑也取得了新的改进，以提高效率和功能。本文详细介绍了这些设备在适合这些应用的常见拓扑中的优势和兼容性，并介绍了一些令人兴奋的新拓扑。

利用有源钳位反激式(ACF)和非对称半桥(AHB) 拓扑最大限度地提高效率和功率密度

几种新开发的半桥拓扑有助于优化效率，同时提供可变输出电压能力。图1中所示的ACF和AHB拓扑有助于最大限度地提高DC/DC级的效率和功率密度。与准谐振(QR)和零电压开关(ZVS)反激式中使用有损缓冲器钳位不同，ACF和AHB拓扑可将泄漏能量回收至输出，从而进一步提高效率。此外，这两种拓扑可以完全消除低压侧场效应晶体管 ( FET ) 的电压尖峰。因此，可以在次级侧使用较低电压的同步整流器FET 。此外，AHB拓扑不需要第二个输出滤波器，这有助于创建整体成本更低、尺寸更小的解决方案。

LMG3624 集成 GaN FET具有内置“无损”电流感应功能，有助于通过降低损耗进一步提高效率，如图 2 所示。例如，对于 65W ACF，集成电流感测电路的损耗贡献小于 10mW，而传统电流感测方案的损耗约为 170mW。需要电流模式控制的各种拓扑(例如 ACF 和 AHB)可以极大地受益于这种显着的损耗降低，从而进一步提高整体解决方案的效率。

图1：ACF和AHB拓扑

图2：内置电流检测与传统电流检测之间的功率损耗比较。

图腾柱PFC拓扑适合更高功率设计

在世界许多地方，当功率水平超过70W时，都需要功率因数校正(PFC)级。如果您希望在功率因数校正阶段充分利用GaN的功能，您可能会考虑图3中所示的图腾柱PFC拓扑。这种拓扑结构消除了桥式整流器，从而提高了GaN FET的价值。这是因为GaN FET具有零反向恢复损耗的特性。

金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)具有固有的体二极管，该二极管具有较大的反向恢复电荷，使得MOSFET在此拓扑中几乎无法使用。碳化硅(SiC)在反向恢复电荷方面仅提供很小的改进。另一方面，LMG3624具有可调节的转换速率，可帮助系统在电磁干扰(EMI)和效率之间找到适当的平衡。

图3：图腾柱PFC拓扑

用于QR、ZVS、LLC和升压PFC拓扑的低功率GaN

虽然新的拓扑不断涌现，但在传统拓扑中采用集成GaN仍然具有明显的优势。在QR反激式、ZVS反激式和传统升压PFC中引入GaN已变得司空见惯。只需用GaN FET替换一个开关FET即可提高效率和开关频率能力(主要是由于 GaN 的输入电容较低并减少了关断损耗)。此外，LMG3624 GaN FET还具有低静态电流的特点，进一步降低了待机模式下的功耗。QR、ZVS和升压PFC拓扑也受益于LMG3624的集成无损电流检测电路。

LLC谐振转换器拓扑已存在数十年，LLC 在 USB Type-C 输出电压不占主导地位的固定输出电压应用中很常见，例如笔记本电脑适配器和电视电源。与大多数半桥DC/DC拓扑相比，这种LLC拓扑还实现了同类最佳的变压器效率。

概括

对更小、更高效的交流/直流解决方案的需求持续增长，消费者寻求更小、更易于携带的适配器。在工业应用中，由于GPU(图形处理单元)需要更多功率，因此PC需要高效电源(PSU) 。高端平板电视还需要更薄的PSU 。 LMG3624提供的功能和优势可以集成到本文中介绍的任何拓扑中，以帮助满足这些应用的要求。