让AC/DC电源适配器体积缩小一半、效率超95%,剖析TI低功耗GaN新品

2023-12-26


(文/吴子鹏)电源适配器作为电子设备的核心组件之一,随着电子设备升级迭代速度加快,电源适配器也在经历着前所未有的快速发展。为了提高充电效率和安全性,电源适配器在高性能芯片和拓扑电路等方面持续创新。

本文我们将为大家重点介绍TI低功耗GaN(氮化镓)系列新品,以及TI为这些新品器件打造的评估方案。

将AC/DC解决方案的尺寸缩小一半

电源适配器是小型便携式电子设备及电子电器的供电电源变换设备,其发展趋势受到多方面因素的影响。总结而言,目前电源适配器的主要发展趋势包括便携式、轻薄化、高效能、高集成、高功率密度等。由于GaN IC相较于传统Si MOSFET有着更快的开关速度和更低的开关损耗,因此成为提升电源适配器性能的主要手段之一。

TI全新推出的低功耗GaN新品便是高度集成的GaN IC,如下图所示,LMG3626是该系列中的其中一款器件,在器件内部集成了功率 FET、栅极驱动器和电流检测功能,这个电流检测功能具有高带宽和高精度的电流检测仿真能力。通过高度集成的器件特性,TI低功耗GaN新品能够帮助研发人员降低设计难度,并减少元器件的用量,降低BOM成本。此外,TI低功耗GaN新品还有LMG3622和LMG3624型号,均是高度集成的器件。

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LMG3626器件内部框图


根据TI给出的对比数据,相较于分离式GaN和硅解决方案,TI低功耗GaN新品可以实现解决方案尺寸缩小50%,并联电阻器功率损耗降低94%,对于消费级USB Type-C移动充电器、PC电源和电视电源等应用,可以在缩小解决方案尺寸的同时保持甚至提高功率水平。

兼容主流的拓扑电路

在过去很长一段时间里,由于GaN HEMT和传统Si MOSFET在驱动电路上有明显不同,导致GaN器件在使用上会存在一定的门槛,给方案设计造成一定的困扰。而集成驱动的单芯片解决方案的出现,使GaN器件比硅功率器件更简单易用,此时研发人员可以将更多精力放在方案创新上,而不是花费大量心思探究GaN HEMT和Si MOSFET的不同。

当然,对于TI低功耗GaN新品而言,这些器件不仅是高度集成的单芯片解决方案,同时其对主流拓扑友好的兼容性也能够帮到研发人员。

据悉,TI低功耗GaN新品针对AC/DC电源转换中常见的拓扑结构进行了优化,包括ACF、QR反激式、AHB反激式、LLC、图腾柱PFC。其中,借助ACF 和 AHB 拓扑,这些GaN IC能够帮助研发人员更大限度提高效率和功率密度;通过图腾柱 PFC 拓扑,这些GaN IC支持更高功率的设计;在QR、ZVS、LLC 和升压 PFC 拓扑中,这些GaN IC能够实现更低功耗的设计。

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ACF 和 AHB 拓扑

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图腾柱 PFC 拓扑


我们展开来看,ACF 和 AHB 拓扑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,有助于更大限度提高直流/直流级的效率和功率密度。通过这些描述不难看出,ACF 和 AHB 拓扑需要电路具备电流检测能力,而TI低功耗GaN新品均内部集成了这种电流检测功能,且基本是一种“无损”电流检测。例如,在 65W ACF中,TI低功耗GaN新品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。

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集成电流检测与传统电流检测的功率损耗对比


在图腾柱 PFC 拓扑中,TI低功耗GaN新品不仅由于反向恢复损耗为零提升了拓扑的价值,同时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;在QR、ZVS、LLC 和升压 PFC 拓扑中,只需要用TI低功耗GaN新品替换单个开关 FET,即可看到效率和开关频率能力的明显提升。

对于传统拓扑和创新拓扑电路的高度兼容,让研发人员在使用TI低功耗GaN新品时,能够更加自如,综合应用场景、性价比等多方面因素来选择合适的拓扑结构。据介绍,在大于 75W 的AC/DC应用中,借助TI低功耗GaN新品,系统效率可提升至 95% 以上;在小于 75W 的AC/DC应用中,借助TI低功耗GaN新品,系统效率可提升至 94%。

为了让大家更快地熟悉TI低功耗GaN新品,TI公司还专门提供了评估套件——LMG3622EVM-082和LMG3624EVM-081。

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LMG3622EVM-082

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LMG3624EVM-081

结语

通过上述内容能够看出,凭借单芯片集成驱动的设计,TI低功耗GaN新品能够显著降低GaN器件的使用门槛,并简化设计,降低BOM成本;通过对传统和创新拓扑的兼容,研发人员可以借助TI低功耗GaN新品灵活地实现自己的方案设计;此外,TI低功耗GaN新品也能够帮助研发人员改善方案散热设计。

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