对减小电源尺寸的需求不断增长，不断挑战该行业生产越来越高的效率和功率密度。由于硅器件达到其频率限制（<100 kHz），提高硅基电源性能的能力已经放缓，这阻碍了电路拓扑和磁性设计的进一步优化。新兴GaN 宽带隙器件由于 QG 栅极电荷降低 15 倍、Qoss 输出电荷降低 16 倍以及开关速度提高，效率和尺寸显着提高。GaNSense 电源 IC 集成了可靠、稳健设计所需的所有缺失要素，使这些设备终走出实验室，进入现实世界的快速充电器和适配器。其中包括 GaNSense 功率 IC 和 GaNSense 半桥 IC 中的集成栅极驱动、稳压栅极电压、无损电流感应和保护功能（图 1）。这些产品支持新的电路拓扑，业界正在利用它们来推进更小、更高效的设计。

　　图 1.  GaNSense 功率 IC 和 GaNSense 半桥 IC 简化框图和主要特性。图片由博多电力系统提供
　　GaNSense 提高 PFC 频率和效率

　　输出功率大于 75 W 时需要功率因数校正(PFC)。传统升压 PFC 转换器因其简单、谐波电流低和成本低而占据主导地位。许多现成的 PFC 控制器提供多模式 CRM 或 DCM 操作，以提高系统效率和线路电流谐波。GaNSense 功率 IC 通过提高开关频率来减小电感器尺寸并提高效率来减少损耗和热量，从而改进了这种拓扑（图 2）。与硅 FET 相比，集成 GaN FET 的输出电荷和栅极电荷较低，因此可以轻松提高频率。为了提高效率，GaNSense 功率 IC 集成了一种无损电流感应方法，消除了外部 RCS 电流感应电阻器及其相关热点和占位面积。

　　图 2. 硅基升压 PFC（左）与无损 GaNSense 升压 PFC（右）。图片由博多电力系统提供

　　可以添加升压跟随器功能以进一步提高效率，以便直流母线在低压线路交流输入期间以较低的电压运行。这样可以降低峰值电流水平、降低负电流和循环能量以及降低磁芯损耗（图 3）。所有这些改进相结合可额外带来 +0.3% 的效率优势。

　　图 3. 在满负载和不同直流母线电压水平（90 VAC/400 V（左）和 90 VAC/260 V（右））的情况下，在交流半周期内提升峰值电感器电流。图片由博多电力系统提供 
　　GaNSense 支持 AHB，AHB 支持 PD 3.1

　　准谐振反激式由于其宽电压增益能力而成为下游转换器的流行拓扑。然而，当功率水平增加到 100 W 以上时，变压器泄漏能量显着增加。随着泄漏能量的增加，初级开关和次级 SR 开关上的电压应力也会增加，包括更高的电压尖峰和EMI 噪声。此外，USB供电规范修订版3.1支持更高的输出电压水平，例如28V至48V，这使得反激变压器匝数比的设计更加困难。初级和次级上的电压应力远高于传统的 20 V 输出条件。非对称半桥反激式转换器采用初级侧开关的零电压开关 (ZVS) 和次级侧整流器的零电流开关 (ZCS) 运行。此外，初级开关被钳位在PFC处输出电压通常约为 400 V，因此应力和电压振铃问题得到显着缓解。出于这些原因，AHB 拓扑是 PD 3.1 应用的，而 GaNSense 半桥 IC 可以实现小变压器尺寸的高频操作和无损电流感应，从而实现更高的效率（图 4）。

　　图 4. 硅基 QR 反激式（左）与无损 GaNSense AHB 反激式（右）。图片由博多电力系统提供  

　　140 W，PD 3.1 评估板

　　完整的 PFC+AHB 140 W、PD 3.1 评估板 (EVB)（图 5）已经构建并测试了功能和性能。该设计实现了令人印象深刻的 100 cc 估计外壳尺寸，功率密度为 1.4 W/cc。EVB 包括优化的 PFC、AHB 和 SR 功率级和磁性器件，并使用现成的控制器。PFC 和 AHB 电源系围绕 NV6138A GaNSense 电源 IC 和 NV6245C GaNSense 半桥 IC 设计。EVB 还包括EMI 滤波并通过传导和辐射发射。

　　图 5.  140 W、PD 3.1 评估板，效率 = 94.5%，估计外壳尺寸 = 100 cc。图片由博多电力系统提供 

　　满载升压PFC波形如图 6 所示。在 115 VAC 线路输入期间，升压电路在零电压开关 (ZVS) 条件下工作，其中升压开关节点电压 (VSW) 在 GaN 功率 FET 导通之前降至零。每个开关周期。在 230 VAC 线路输入期间，升压电路在部分 ZVS 条件下运行，其中 VSW 下降至约 100 V，然后从该处硬切换至零。控制器在关断期间自动检测 VSW 节点的谷值，以便在每个开关周期再次开启，以尽可能优化电压水平的开启点，从而限度地减少硬开关损耗。由于 GaN 功率 IC 具有非常低的输出电容，因此漏极电压将在每个周期快速降至谷值。控制器必须具有快速谷值检测功能，以确保在 VSW 电压恢复之前在点开启。升压跟随器功能还可以在低线电压条件下直流母线电压降低至 300 VDC 以及高线电压条件下升高至 400 VDC 时发挥作用。

　　图 6. 满负载条件下的升压 PFC 开关波形，115 VAC 输入（左）、230 VAC 输入（右），IL=蓝色（1 A/格），VDS=黄色（100 V/格）。图片由博多电力系统提供  [PDF]

　　图 7 显示了 115 VAC 输入和满负载条件下的 AHB 半桥开关节点 (VSW) 和槽路电流 (IL) 波形。谐振槽路电流在每个半桥低侧导通时间内线性上升，然后在每个半桥高压侧准时谐振。这使得 GaNSense 半桥 IC VSW 输出节点在每个开关周期期间都能实现干净、平稳的 ZVS 操作。AHB 工作频率范围为 125 至 300 kHz，具体取决于输入线路和输出负载条件。

　　图 7.  115 VAC 输入和满负载条件下的 AHB 开关波形，IL=蓝色（2 A/格），VSW=黄色（100 V/格）。图片由博多电力系统提供  [PDF]

　　效率曲线（图 8）显示 4 点效率和负载效率。该设计在 90 VAC 输入条件下实现了惊人的 94.5% 满载效率，比的产品至少高出 1%，节能高达 20%。90 VAC 和满负载时的效率决定了终适配器产品的外壳尺寸和外壳接触温度。

　　图 8.4 点效率（左）和负载效率（右）曲线。图片由博多电力系统提供  [PDF]

　　，传导和辐射 EMI始终是电源设计的一个主要问题。由于更快的开关速度和频率，采用 GaN 的新设计不断受到 EMI 挑战的质疑。设计人员通常在设计接近完成阶段时才解决其设计的 EMI 部分，结果却惊讶地发现排放远远超出了允许的限制。该设计的 EMI 扫描（图 9）显示，传导 EMI 和辐射 EMI 均远低于限制，并且具有足够的制造公差余量。这些结果可以通过在设计阶段尽早实施适当的 EMI 指南来实现，其中包括 PCB 接地层、电感器屏蔽、正确设计的 EMI 滤波器组件、正确的 PCB 平面规划以及组件位置和邻近度等良好实践。

　　图 9.  115 VAC/140 W 下的传导发射（左）和 230 VAC/140 W 下的辐射发射（右）。图片由博多电力系统提供
　　高密度设计总结
　　随着业界追求更高密度的设计，GaNSense 功率 IC 和 GaNSense 半桥 IC 带来更高的频率，改善现有拓扑，解锁未来拓扑，并终实现更高的效率。还需要下一代高频控制器以及新型磁性材料来实现完整的高速生态系统，从而实现更低的温度和更小的尺寸。改进现有 PFC 电路或使用 AHB 等新电路只是可能性的一小部分例子。随着 GaN 不断改进和解锁现有和新的拓扑，更多创新即将到来。