電源管理: 低功耗 GaN 在常見交流/直流電源拓撲中的優(yōu)勢
在設計現代消費級 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 等寬帶隙技術的發(fā)展,交流/直流拓撲也出現了新的改進,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 拓撲不像準諧振 (QR) 反激式拓撲或零電壓開關 (ZVS) 反激式拓撲那樣使用有損緩沖器鉗位,而是能夠將泄漏能量回收到輸出端,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場效應晶體管 (FET) 上的電壓尖峰,從而在次級側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,由于反向恢復損耗為零,GaN FET 在這種拓撲結構中的價值得以增強。
金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 具有體二極管,可產生高反向恢復電荷,而碳化硅 (SiC) 在反向恢復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
盡管新的拓撲已經開始受到關注,但將集成 GaN 與傳統(tǒng)拓撲結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 FET,即可看到效率和開關頻率能力的提升(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 諧振轉換器拓撲已經存在了幾十年,在筆記本電腦適配器和電視電源等固定輸出電壓應用中很受歡迎,這些應用尚未普遍采用 USB Type-C 控制器來提供輸出電壓。與大多數半橋直流/直流拓撲相比,LLC 拓撲還將實現更高的變壓器效率。
結語
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用的要求。