低功耗 GaN 在常见交流/直流电源拓扑中有什么优势(图解)?

发布日期:2024-01-22     285 次

消费者希望日常携带的各种电子设备能够配备便携、快速和高效的充电器。随着大多数电子产品转向 USB Type-C® 充电器,越来越多的用户希望可以使用紧凑型电源适配器为所有设备充电。

在设计现代消费级 USB Type-C 移动充电器、PC 电源和电视电源时,面临的挑战是如何在缩小解决方案尺寸的同时保持甚至提高功率水平。德州仪器的低功耗氮化镓 (GaN) 器件有助于在各种最流行的拓扑中解决这一问题,同时提供散热、尺寸和集成方面的优势。在过去的几十年里,随着 GaN 等宽带隙技术的发展,交流/直流拓扑也出现了新的改进,旨在改善效率和功能。本文将深入探讨这些器件在此类应用的流行拓扑中的优势和兼容性,以及一些令人心动的新拓扑。

利用 ACF 和 AHB 拓扑更大限度提高效率和功率密度

一些新开发的半桥拓扑可以优化效率,同时提供可变输出电压能力。如图 1 所示的有源钳位反激式 (ACF) 拓扑和非对称半桥 (AHB) 拓扑有助于更大限度提高直流/直流级的效率和功率密度。ACF 和 AHB 拓扑不像准谐振 (QR) 反激式拓扑或零电压开关 (ZVS) 反激式拓扑那样使用有损缓冲器钳位,而是能够将泄漏能量回收到输出端,因此可以进一步提高效率。这两种拓扑还能够完全消除低侧场效应晶体管 (FET) 上的电压尖峰,从而在次级侧启用低压同步整流器 FET。此外,AHB 拓扑不需要第二个输出滤波器,因此整体解决方案成本更低、体积更小。

图 1:ACF 和 AHB 拓扑

LMG3624 集成式 GaN FET 具有集成的“无损”电流检测功能,可通过降低功率损耗来帮助进一步提高效率,如图 2 所示。例如,在 65W ACF 中,集成电流检测的损耗不到 10mW,而传统电流检测方案的损耗约为 170mW。任何需要电流模式控制的拓扑(包括 ACF、AHB 等)都将大大受益于这种大幅降低的损耗,并实现更高效的整体解决方案。

图 2:集成电流检测与传统电流检测的功率损耗对比

图腾柱 PFC 拓扑支持更高功率的设计

在大部分情况下,一旦功率水平达到 70W 以上,便需要功率因数校正 (PFC) 级。在 PFC 级中,如果希望利用 GaN 的功能,则需要考虑图腾柱 PFC 拓扑,如图 3 所示。去除桥式整流器后,由于反向恢复损耗为零,GaN FET 在这种拓扑结构中的价值得以增强。

金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 具有体二极管,可产生高反向恢复电荷,而碳化硅 (SiC) 在反向恢复电荷方面的改进很小,因此 MOSFET 几乎无法在这种拓扑中使用。另一方面,LMG3624 提供可调节的压摆率,有助于在系统中找到电磁干扰和效率的合理平衡点。

图 3:图腾柱 PFC 拓扑

QR、ZVS、LLC 和升压 PFC 拓扑中的低功耗 GaN

尽管新的拓扑已经开始受到关注,但将集成 GaN 与传统拓扑结合使用仍然具有明显优势。在 QR 反激式拓扑、ZVS 反激式拓扑和传统升压 PFC 拓扑中采用 GaN 变得越来越常见,因为只需用 GaN FET 替换单个开关 FET,即可看到效率和开关频率能力的提升(主要得益于 GaN 较低的输入电容可以降低关断损耗)。此外,LMG3624 GaN FET 具有低静态电流,其待机模式还可以进一步降低静态电流。QR、ZVS 和升压 PFC 拓扑也受益于 LMG3624 中集成的无损电流检测功能。

LLC 谐振转换器拓扑已经存在了几十年,在笔记本电脑适配器和电视电源等固定输出电压应用中很受欢迎,这些应用尚未普遍采用 USB Type-C 控制器来提供输出电压。与大多数半桥直流/直流拓扑相比,LLC 拓扑还将实现更高的变压器效率。


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