交流(AC)或电源适配器(或称充电器)将墙壁插座中的交流电(AC)转换为便携式电子设备中的直流电(DC)。由于适配器是任何旅行者行李箱中常见的设备，因此它们应尽可能小且轻。使用当前技术如何实现这一目标?

　　Rohm和Sojo大学的联合作者最近在APEC上发表的论文中，展示了一种使用GaN开关结合主侧电压箝位和150V供电的非对称半桥(AHB)反激转换器(以1MHz的开关频率运行)来实现适配器小型化的新方法。

　　缩小适配器的难点

　　在不牺牲安全性、效率或可靠性的情况下实现更小的尺寸总是一个难题。适配器小型化主要有两大障碍。第一个涉及输入电容器的小型化，因为更高的开关频率在这种情况下没有帮助。其次，平面变压器的尺寸减小仍是一个挑战，因为线圈匝数减少会导致大的铁芯损耗。作者提出的拓扑结构允许输入电容器和AHB变压器的尺寸减少约50%。包括主侧交流电压箝位器和AHB转换器的完整电路在90到264VAC输入电压和20V/3A输出下实现。

　　反激拓扑

　　图1显示了一般的反激拓扑，该拓扑通过在开关周期的一半时间内在磁场中存储能量，然后在另一半时间将能量传递给负载来运行。图2展示了AHB电路的实现。反激转换器可以利用GaN开关在低频率(例如100kHz)下实现小型化，因为它们固有的低导通电阻可以减少损耗。相反，由于GaN FETs，AHB可以在非常高的频率下运行，因此变压器可以缩小到大约1MHz，从而实现更小的形状因子。“非对称”这个名称指的是两个开关在电压处理和驱动要求方面的不平衡，因为高侧开关需要浮动栅极驱动，并且其电压应力比低侧开关更高。

　　尽管这两种拓扑结构都实现了一定程度的小型化，但仍存在一些问题，第一个是输入电容Cin的尺寸。

　　输入电容Cin的尺寸由其在最低Vin下的能量存储能力决定，其耐压与最大Vin相关。换句话说，更高的开关频率在实现小型化方面没有帮助。对于应承受400V的变压器也是如此，但平面结构中的匝数有限，因此增加频率无效并导致大的铁芯损耗。通常，在典型的AC适配器中，Cin占总体积的约40%，变压器约占45%。

　　主电压箝位

　　为了克服这一缺点，可以提出一种结合主电压箝位器和150V供电的AHB转换器的电路拓扑，这可以减小输入电容器和变压器的尺寸。通过使用150V GaN开关以1MHz的频率切换AHB转换器，变压器可以缩小。

　　电压箝位器设计的想法与储存在电容器中的能量相关，等于½ CV2，因此将其电压减半将理论上减少四分之一的电容体积。一般来说，箝位器的功能是通过修改其直流电平来上下移动电压波形。

　　图3中显示了电路实现，其中Qclp是箝位FET，输入电容Cin用于电压箝位。在最低输入电压(约100VAC)下，Qclp完全导通以操作在传统的电容输入模式(图4a)。在更高的输入电压下，电压箝位器被激活，如图4b所示。VAC’是整流后的交流电压，Ic是通过Cin的充电电流。当VAC’达到V1时，Ic开始流动以充电Cin，对应的角度为a;因此，如果T½是半周期，aT½代表导通时间。当VAC达到V2时，Qclp关闭，这在角度(1-a)期间发生，此时Cin放电。

　　通过一些方程，可以得出角度a作为箝位电压V2的函数;以及Cin和Ic作为V2的函数。传统的AC适配器需要450V，而电压箝位器的电容器需要200V。结果，如前所述，实际使用中可以减少四分之一或二分之一。具体来说，使用120mF的电解电容器时，从450V切换到200V电容器，其体积从8,260 mm3缩小到3,140 mm3。

　　150V供电的AHB

　　半桥由Q1和Q2(Rohm的GNE1040TB部件号)驱动，开关节点连接到匝数比为n=N1:N2的变压器和谐振电容Cr。图中的变压器是理想的，因此应在N1并联一个励磁电感Lm。漏感Lkg在图中与N2串联。次级侧二极管在关断期间由于反向极性而导通，允许能量传递。

　　AHB转换器可以在“电流谐振模式”和“连续电流模式”下运行。第二种模式更为有利，因为a)良好的PWM控制覆盖广泛的输出电压范围，b)在轻载时通过励磁电流和重载时通过漏感电流实现零电压开关(ZVS)能力。

　　从CoilCraft选择的平面变压器通常匝数有限。计算条件为12匝主线圈、70 mT的ΔB、1 MHz的开关频率以及标准AC输入下的400V AHB输入母线电压和电压箝位器下的150V输入母线电压。因此，400V母线需要一个PL300铁芯，而150V母线需要一个PL160铁芯，后者比前者小2.7倍。以下是通用设计方程。

　　其中DB是峰到峰磁通摆动，V0是输出电压，D是占空比，Tsw是开关周期，Ae是有效铁芯横截面积，NP是主线圈匝数。第二个是主要用于正弦激励的Steinmetz经验公式：