低功耗 GaN 在常見(jiàn)交流/直流電源拓?fù)渲械膬?yōu)勢(shì)

消費(fèi)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(lái)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(jì)現(xiàn)代消費(fèi)級(jí) USB Type-C 移動(dòng)充電器、PC 電源和電視電源時(shí)，面臨的挑戰(zhàn)是如何在縮小解決方案尺寸的同時(shí)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?fù)渲薪鉀Q這一問(wèn)題，同時(shí)提供散熱、尺寸和集成方面的優(yōu)勢(shì)。在過(guò)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?fù)湟渤霈F(xiàn)了新的改進(jìn)，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?fù)渲械膬?yōu)勢(shì)和兼容性，以及一些令人心動(dòng)的新拓?fù)洹?/p>

利用 ACF 和 AHB 拓?fù)涓笙薅忍岣咝屎凸β拭芏?/strong>

一些新開(kāi)發(fā)的半橋拓?fù)淇梢詢?yōu)化效率，同時(shí)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?fù)浜头菍?duì)稱半橋 (AHB) 拓?fù)溆兄诟笙薅忍岣咧绷?直流級(jí)的效率和功率密度。ACF 和 AHB 拓?fù)洳幌駵?zhǔn)諧振 (QR) 反激式拓?fù)浠蛄汶妷洪_(kāi)關(guān) (ZVS) 反激式拓?fù)淠菢邮褂糜袚p緩沖器鉗位，而是能夠?qū)⑿孤┠芰炕厥盏捷敵龆?，因此可以進(jìn)一步提高效率。這兩種拓?fù)溥€能夠完全消除低側(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 上的電壓尖峰，從而在次級(jí)側(cè)啟用低壓同步整流器 FET。此外，AHB 拓?fù)洳恍枰诙€(gè)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?fù)?/p>

LMG3624 集成式 GaN FET 具有集成的“無(wú)損”電流檢測(cè)功能，可通過(guò)降低功率損耗來(lái)幫助進(jìn)一步提高效率，如圖 2 所示。例如，在 65W ACF 中，集成電流檢測(cè)的損耗不到 10mW，而傳統(tǒng)電流檢測(cè)方案的損耗約為 170mW。任何需要電流模式控制的拓?fù)洌ò?ACF、AHB 等）都將大大受益于這種大幅降低的損耗，并實(shí)現(xiàn)更高效的整體解決方案。

圖 2：集成電流檢測(cè)與傳統(tǒng)電流檢測(cè)的功率損耗對(duì)比

圖騰柱 PFC 拓?fù)渲С指吖β实脑O(shè)計(jì)

在大部分情況下，一旦功率水平達(dá)到 70W 以上，便需要功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)。在 PFC 級(jí)中，如果希望利用 GaN 的功能，則需要考慮圖騰柱 PFC 拓?fù)?，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的價(jià)值得以增強(qiáng)。

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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(jìn)很小，因此 MOSFET 幾乎無(wú)法在這種拓?fù)渲惺褂谩Ａ硪环矫?，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(diǎn)。

圖 3：圖騰柱 PFC 拓?fù)?/p>

QR、ZVS、LLC 和升壓 PFC 拓?fù)渲械牡凸?nbsp;GaN

盡管新的拓?fù)湟呀?jīng)開(kāi)始受到關(guān)注，但將集成 GaN 與傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)合使用仍然具有明顯優(yōu)勢(shì)。在 QR 反激式拓?fù)洹VS 反激式拓?fù)浜蛡鹘y(tǒng)升壓 PFC 拓?fù)渲胁捎?GaN 變得越來(lái)越常見(jiàn)，因?yàn)橹恍栌?GaN FET 替換單個(gè)開(kāi)關(guān) FET，即可看到效率和開(kāi)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(jī)模式還可以進(jìn)一步降低靜態(tài)電流。QR、ZVS 和升壓 PFC 拓?fù)湟彩芤嬗?LMG3624 中集成的無(wú)損電流檢測(cè)功能。

LLC 諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)湟呀?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(lái)提供輸出電壓。與大多數(shù)半橋直流/直流拓?fù)湎啾?，LLC 拓?fù)溥€將實(shí)現(xiàn)更高的變壓器效率。

結(jié)語(yǔ)

隨著對(duì)更小、更高效的交流/直流解決方案的需求不斷增長(zhǎng)，消費(fèi)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(lái)越高，PC 對(duì)于高效電源單元 (PSU) 的需求越來(lái)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?fù)渲械墓δ芎蛢?yōu)勢(shì)，其多功能性有助于滿足這些應(yīng)用的要求。