消費者希望日常攜帶的各種電子設(shè)備能夠配備便攜、快速和高效的充電器。隨著大多數(shù)電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)向 USB Type-C® 充電器，越來越多的用戶希望可以使用緊湊型電源適配器為所有設(shè)備充電。

在設(shè)計現(xiàn)代消費級 USB Type-C 移動充電器、PC 電源和電視電源時，面臨的挑戰(zhàn)是如何在縮小解決方案尺寸的同時保持甚至提高功率水平。德州儀器的低功耗氮化鎵 (GaN) 器件有助于在各種最流行的拓撲中解決這一問題，同時提供散熱、尺寸和集成方面的優(yōu)勢。在過去的幾十年里，隨著 GaN 等寬帶隙技術(shù)的發(fā)展，交流/直流拓撲也出現(xiàn)了新的改進，旨在改善效率和功能。本文將深入探討這些器件在此類應(yīng)用的流行拓撲中的優(yōu)勢和兼容性，以及一些令人心動的新拓撲。

利用 ACF 和 AHB 拓撲更大限度提高效率和功率密度

一些新開發(fā)的半橋拓撲可以優(yōu)化效率，同時提供可變輸出電壓能力。如圖 1 所示的有源鉗位反激式 (ACF) 拓撲和非對稱半橋 (AHB) 拓撲有助于更大限度提高直流/直流級的效率和功率密度。ACF 和 AHB 拓撲不像準(zhǔn)諧振 (QR) 反激式拓撲或零電壓開關(guān) (ZVS) 反激式拓撲那樣使用有損緩沖器鉗位，而是能夠?qū)⑿孤┠芰炕厥盏捷敵龆?，因此可以進一步提高效率。這兩種拓撲還能夠完全消除低側(cè)場效應(yīng)晶體管 (FET) 上的電壓尖峰，從而在次級側(cè)啟用低壓同步整流器 FET。此外，AHB 拓撲不需要第二個輸出濾波器，因此整體解決方案成本更低、體積更小。

圖 1：ACF 和 AHB 拓撲

LMG3624 集成式 GaN FET 具有集成的“無損”電流檢測功能，可通過降低功率損耗來幫助進一步提高效率，如圖 2 所示。例如，在 65W ACF 中，集成電流檢測的損耗不到 10mW，而傳統(tǒng)電流檢測方案的損耗約為 170mW。任何需要電流模式控制的拓撲（包括 ACF、AHB 等）都將大大受益于這種大幅降低的損耗，并實現(xiàn)更高效的整體解決方案。

圖 2：集成電流檢測與傳統(tǒng)電流檢測的功率損耗對比

圖騰柱 PFC 拓撲支持更高功率的設(shè)計

在大部分情況下，一旦功率水平達到 70W 以上，便需要功率因數(shù)校正 (PFC) 級。在 PFC 級中，如果希望利用 GaN 的功能，則需要考慮圖騰柱 PFC 拓撲，如圖 3 所示。去除橋式整流器后，由于反向恢復(fù)損耗為零，GaN FET 在這種拓撲結(jié)構(gòu)中的價值得以增強。

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 具有體二極管，可產(chǎn)生高反向恢復(fù)電荷，而碳化硅 (SiC) 在反向恢復(fù)電荷方面的改進很小，因此 MOSFET 幾乎無法在這種拓撲中使用。另一方面，LMG3624 提供可調(diào)節(jié)的壓擺率，有助于在系統(tǒng)中找到電磁干擾和效率的合理平衡點。

圖 3：圖騰柱 PFC 拓撲

QR、ZVS、LLC 和升壓 PFC 拓撲中的低功耗 GaN

盡管新的拓撲已經(jīng)開始受到關(guān)注，但將集成 GaN 與傳統(tǒng)拓撲結(jié)合使用仍然具有明顯優(yōu)勢。在 QR 反激式拓撲、ZVS 反激式拓撲和傳統(tǒng)升壓 PFC 拓撲中采用 GaN 變得越來越常見，因為只需用 GaN FET 替換單個開關(guān) FET，即可看到效率和開關(guān)頻率能力的提升（主要得益于 GaN 較低的輸入電容可以降低關(guān)斷損耗）。此外，LMG3624 GaN FET 具有低靜態(tài)電流，其待機模式還可以進一步降低靜態(tài)電流。QR、ZVS 和升壓 PFC 拓撲也受益于 LMG3624 中集成的無損電流檢測功能。

LLC 諧振轉(zhuǎn)換器拓撲已經(jīng)存在了幾十年，在筆記本電腦適配器和電視電源等固定輸出電壓應(yīng)用中很受歡迎，這些應(yīng)用尚未普遍采用 USB Type-C 控制器來提供輸出電壓。與大多數(shù)半橋直流/直流拓撲相比，LLC 拓撲還將實現(xiàn)更高的變壓器效率。

結(jié)語

隨著對更小、更高效的交流/直流解決方案的需求不斷增長，消費者更喜歡更便攜的較小適配器。在工業(yè)環(huán)境中，隨著圖形處理單元的功率要求越來越高，PC 對于高效電源單元 (PSU) 的需求越來越迫切。更薄的 PSU 也為更纖薄的高端電視鋪平了道路。LMG3624 提供可集成到本文所述的所有拓撲中的功能和優(yōu)勢，其多功能性有助于滿足這些應(yīng)用的要求。

其他資源

查看相關(guān) TI 參考設(shè)計：

-使用 LMG3622EVM-082 65W USB-C PD 高密度準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器

-140W PFC + AHB

要了解有關(guān)圖騰柱 PFC 如何實現(xiàn)高效率的更多信息，請參閱“GaN 如何在基于圖騰柱 PFC 的電源設(shè)計中實現(xiàn)高效率”。

關(guān)于德州儀器 (TI)

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