消費者希望能以快速、有效率的可攜式充電器來支援日常隨身攜帶的各種電子裝置。隨著大多數電子產品轉為使用 USB Type-C® 充電器，對於可為所有裝置充電的精巧電源轉接器的需求也迅速攀升。
設計現代消費 USB Type-C 行動充電器、PC 電源供應器與 TV 電源供應器時的挑戰，是必須在維持或提高電量的同時，也要縮小解決方案的尺寸。在多種最常見的拓撲結構中，TI 的低功耗氮化鎵 (GaN) 裝置有助於解決前述問題，同時也能提供散熱、尺寸與整合優勢。過去二十多年間，在開發如 GaN 等寬頻隙技術之際，AC/DC 拓撲結構也出現新的改善，效率與功能性雙雙提升。本文將就上述應用的常見拓撲結構，深入探討這類裝置的優勢和相容性，以及部分極具吸引力的新型拓撲結構。
透過 ACF 和 AHB 拓撲結構獲得最大的效率和功率密度
已有數種新開發的半橋拓樸結構採用效率最佳化設計，同時可提供可變輸出電壓功能。如圖 1 所示的主動箝位返馳 (ACF) 與不對稱半橋 (AHB) 拓撲結構，皆有助於在 DC/DC 功率級中實現最大的效率和功率密度。相對於使用有損緩衝器箝位 (例如在準諧振 (QR) 返馳或零電壓切換 (ZVS) 返馳中的情況)，ACF 和 AHB 拓撲反而可將漏感能量回收至輸出，進一步提高效率。這兩種拓撲結構也可完全消除低壓側場效電晶體 (FET) 的電壓突波，以在二次側實現低電壓同步整流 FET。此外，AHB 拓撲結構不需要第二濾波器，因此整體而言，可實現成本更低且更小的解決方案。
LMG3624 整合式 GaN FET 具有整合式「無損耗」電流感測功能，可透過減少功率耗損，協助更進一步地提升效率，如圖 2 所示。例如，在 65-W ACF 中，整合電流感測會造成不到 10 mW 的耗損，而傳統電流感測機制則會產造成約 170 mW 的耗損。諸如 ACF、AHB 等任何需要電流模式控制的拓撲結構，都可利用上述方式大幅減少耗損，並實現效率更高的整體解決方案。若要進一步了解此功能，請參閱應用簡介「利用 TI GaN 的整合電流感測實現最高的系統效率」。
圖 1：ACF 和 AHB 拓撲結構
圖 2：整合電流感測與傳統電流感測的功率耗損比較
適用於較高功率設計的圖騰柱 PFC 拓撲
通常達到超過 70 W 的功率級後，就會需要功率因數校正 (PFC) 級。若確實需要在此功率級發揮 GaN 的功能，建議您考慮圖騰柱 PFC 拓撲結構，如圖 3 所示。移除橋式整流器可強化 GaN FET 在此拓撲結構中的價值，因為其反向復原耗損為零。
金屬氧化半導體場效電晶體 (MOSFET) 具有本體二極體，因此幾乎無法用於此拓撲中，因為其反向復原電荷偏高，且碳化矽 (SiC) 僅能微幅改善反向復原電荷。另一方面，LMG3624 提供可調整的轉換率，有助於在系統中的電磁干擾與效率之間取得適當平衡。
圖 3：圖騰柱 PFC 拓撲
QR、ZVS、LLC 和升壓 PFC 拓撲中的低功耗 GaN
雖然較新的拓撲結構已開始獲得青睞，但是將整合式 GaN 搭配傳統拓撲使用仍具有明顯優勢。在 QR 返馳、ZVS 返馳與傳統升壓 PFC 中引進 GaN 已變得普遍，因為如此只需要以 GaN FET 取代單一切換 FET，效率與切換頻率功能就會出現改善 (主要是透過 GaN 較低的輸入電容，其會降低關閉損耗)。此外，LMG3624 GaN FET 具有低靜態電流，而待機模式還可更進一步降低靜態電流。QR、ZVS 與升壓 PFC 拓撲也可受益於 LMG3624 的整合式無損耗電流感測功能。
LLC 諧振轉換器拓撲已存在了數十年，常用於如筆記型電腦轉接器與 TV 電源供應器等固定輸出電壓應用，這類應用中的 USB Type-C 控制器對輸出電壓並無決定性的影響。相較於大多數半橋 DC/DC 拓撲結構，LLC 拓撲也可實現最高的變壓器效率。
結論
隨著對更小且更有效率之 AC/DC 解決方案的需求持續增加，消費者偏好選擇更小的轉接器，以提高可攜性。在工業環境中，隨著圖形處理單元對電力的需求逐漸提升，高效率電源供應裝置 (PSU) 在 PC 中也日益不可或缺。較薄的 PSU 也可為更纖薄的高階 TV 鋪路。多元用途的 LMG3624 可協助滿足這類應用的需求，因為其功能與優勢均可整合至本文介紹的所有拓撲結構。
其他資源
- 歡迎查看這些 TI 參考設計：
- 使用 LMG3622EVM-082 65-W USB-C PD 高密度準諧振返馳轉換器
- 140 W PFC + AHB
- 若要閱讀更多關於圖騰柱 PFC 如何實現高效率的內容，請參閱「GaN 如何在圖騰柱 PFC 型電源設計中實現高效率」。
