本设计指南演示了一个36V、50A氮化镓（GaN）场效应晶体管（FET）功率级，在由 5 节锂离子电池和 10 节电池组供电的无线工具中其能驱动三相无刷直流电机。此参考设计使用配有集成式 GaN-FET 驱动器的 LMG3100R017 GaN FET 来提高电机控制系统的效率和性能。此外，在本设计所提供的 TI BoosterPack™ 插件模块与 3.3V I/O 接口兼容，此接口能连接至 C2000™ MCU LaunchPad™ 开发套件或 MSPM0 MCU LaunchPad™ 开发套件，以便快速轻松地评估 TI GaN 技术水。

• 6.50mm × 4.0mm 的 LMG3100R017 GaN FET 配有集成式驱动器，可实现高功率密度和简单的 PCB 布局
• 在 20kHz PWM 时效率高（峰值大于 99%），可在 25°C 环境温度下运行，在峰值电流高达 50A 时仍无需散热器。在 50A 峰值电流和 80kHz PWM 时，效率为 98.5%
• LMG3100R017 支持以更高的 PWM 频率运行，有助于通过用陶瓷电容器替代电解电容器来减小直流-总线电容器的尺寸和高度
• 零反向恢复损耗可减少开关节点振荡
• 较低的死区时间小于 20ns，可最大限度减少相电压失真
• 支持在高 PWM 频率下高速电机控制
• 使用低侧电流采样并添加相电压采样，以验证无传感器磁场定向控制 (FOC) 或无传感器梯形控制

• 无线手持园艺工具
• 无线电动工具
• 无线真空吸尘器
• 割草机

电动工具用于各种工业和家庭应用，例如钻孔、研磨、切割、抛光、驱动紧固件等。最常见的电动工具均使用电机，而有些则使用内燃机、蒸汽机或压缩空气。电动工具分为有绳或无绳（电池供电）两种。有绳电动工具使用市电（电网电能）为交流或直流电机供电。

无绳工具使用电池电源来驱动直流电机。大多数无绳工具都使用业界先进的锂离子电池，这类电池重量轻，可提供高能量密度并具有较长的使用寿命。电动工具的功率等级和电池电压等级不尽相同。无绳链锯和无绳圆锯等电动工具以及无绳树木切割机等不同的园艺工具需要极高的扭矩和极高的峰值电流。

无绳工具采用有刷或无刷直流 (BLDC) 电机。BLDC 电机效率更高、维护需求更少、噪声更低且使用寿命更长。电动工具对外形尺寸、效率、峰值电流、可靠性和热性能有一定要求。因此、需要使用尺寸紧凑的高效功率级来驱动电动工具电机。小尺寸的功率级便于灵活安装和 PCB 布线、并且设计成本较低。高效率可最大限度延长电池使用时间并降低冷却工作量。高效率要求又要求开关器件具有低漏源电阻 (R_DS(on))。功率级还必须确保提供电机失速或任何高电流预防等保护功能。

此设计使用了 GaN FET、更高的脉宽调制 (PWM) 和高达100kHz 的开关频率，有助于减少直流-母线电容。将陶瓷电容器替代电解电容器后所获得的特性能减小尺寸和高度，并且效率更高，可以进一步减小 散热器的面积，从而有助于减轻 PCB 的重量。此外，需要提高 PWM 开关频率来减小电流，进而降低电机的扭矩纹波，尤其是可以使用低电感无刷交流电机来实现更精确的控制。

在 TIDA-010276 参考设计中，在三相逆变器中使用小型 GaN-FET LMG3100R017。LMG3100R017 在 6.5mm × 4mm 的 小型 QFN 封装内集成了驱动器和 80V GaN FET，并经优化后具有极低的栅极环路阻抗和电源环路阻抗。PCB 为顶面冷却式 LMG3100R017 GaN-FET 电源模块及可选散热器提供了安装孔。集成的自举二极管有助于进一步减小高侧 GaN-FET 辅助电源的空间。在该设计中，能进行低侧电流采样和总线电流采样，并增强总线电流过流保护。此外，该设计还增加了直流-总线电压以及 PWM 滤波三相电压，以验证先进的无传感器设计，例如 InstaSPIN-FOC™ 电机。该三相逆变器可在 12V 至 48V 的宽输入电压范围内工作，并提供板载电源管理功能，可为 LMG3100 栅极驱动器提供 5V 电源轨，为电流检测放大器和温度检测提供 3.3V 电源轨。TIDA-010276 提供与 3.3V I/O 接口兼容的 TI BoosterPack 插件模块，能连接到 C2000 MCU LaunchPad 或者 MSPM0 LaunchPad，以便快速轻松评估性能。

表 1-1 提供了 TIDA-010276 小型三相 GaN 逆变器参考设计的主要规格。该设计可直接连接到 C2000 MCU，MSPM0 LaunchPad 开发套件，40 引脚实例（J1–J3 和 J4–J2）。TIDA-010276 上有一个跳线选项，可为 LaunchPad 提供 3.3V 电源。

图 2-1 展示了 TIDA-010276 三相 GaN 逆变器的系统方框图（以红色虚线框标示）。

图 2-1 TIDA-010247 方框图

在该参考设计中，设计了以下子块：

• 配有 GaN FET 的三相功率级
• 直流/直流转换器 LMR51606 生成 5V 电源轨，能为 GaN-FET 电源模块供电以及为电流检测放大器和温度传感器提供 3.3V LDO 供电
• 直流-总线电压、低侧总线电流、低侧相电流、相电压检测
• 使用板载温度传感器进行 MOSFET 温度检测
• 主机控制器，用于实现必要的电机控制算法、检测和保护

本参考设计采用了以下重点产品。以下各节介绍为该参考设计选择器件时应考虑的主要特性。如需了解有关重点器件的更多详细信息，请参阅各自的产品数据表。

LMG3100 器件是一款配有集成驱动器的 100V、97A 氮化镓 (GaN) FET。该器件包含一个由高频 GaN FET 驱动器驱动的 100V GaN FET。图 2-2展示了系统方框图。表 2-1 详细说明了此设计的主要特性和优势。

图 2-2 LMG3100 系统方框图

LMR38010 同步降压转换器用于在宽输入电压范围内进行调节，从而更大限度地减少对外部浪涌抑制元件的需求。LMR38010 能够在输入电压突降至 4.2V 时根据需要以接近 100% 的占空比继续工作，因而是宽输入电压范围工业应用和 MHEV/EV 系统的理想选择。

LMR38010 使用精密使能端，通过支持直接连接到宽输入电压或对器件启动和关断进行精确控制来提供灵活性。附带内置滤波和延迟功能的电源正常状态标志可提供系统状态的真实指示，免去了使用外部监控器的麻烦。该器件采用假随机展频，具有超低 EMI，并且开关频率可以在 200kHz 和 2.2MHz 之间配置，从而避开噪声敏感频带。另外，可以选择频率，从而在低工作频率下提高效率，或在高工作频率下缩小设计尺寸。

该器件具有内置的保护功能，例如逐周期电流限制、断续模式短路保护以及功耗过大情况下的热关断功能。LMR38010 采用 8 引脚 HSOIC PowerPAD™ 集成电路封装。

TMP61 是一款正温度系数 (PTC) 线性硅热敏电阻。该器件的性能类似于与温度相关的电阻，可根据系统级要求以多种方式对其进行配置，从而监测温度。TMP61 在 25°C 时的标称电阻为 10kΩ，最大容差为 ±1%，最大工作电压为 5.5V，最大电源电流为 400µA。该器件具有以下优点：无需额外的线性化电路、更大程度减少校准工作量、电阻容差变化更小、高温下灵敏度更高以及可节省处理器时间和内存的简化转换方法。该器件可用于多种应用，通过与典型 0402 封装兼容的极小型 DEC 封装选项来监测靠近热源的温度。

TPS7B81 是一款低压降 (LDO) 线性稳压器，可在高达 40V 的输入电压下工作，并可提供高达 150mA 的电流。该器件在轻负载时的静态电流仅为 2.7µA，非常适合需要极低待机功耗的宽输入电源设计和多电芯电池应用。45V 瞬态容差为可能存在电感反冲的应用提供了额外的余量，从而减少了用于电压抑制的外部电路。

TPS7B81 具有集成的短路和过流限制功能，可在故障条件下为系统提供保护。除了低待机功耗外，轻负载条件下的极低压降电压也有助于维持电压稳定，即使在电池耗尽的情况下，也是如此。

TPS7B81 采用热增强型 8 引脚 HVSSOP 和 6 引脚 WSON 封装。这两种封装都具有高导热性，且尺寸小，支持紧凑设计，非常适合空间有限的应用，例如电动工具或电机驱动模块和电池包。

OPA4323 是一款低电压（1.7V 至 5.5V）和高带宽（20MHz）放大器 (op amps)， 具有零交叉输入级和轨至轨输出级。对于具有 ADC 驱动器应用中典型轨至轨摆幅的输入信号，OPAx323 零交叉输入级可实现高线性和低失真。在 0.5MSPS 至 5MSPS 之间的 ADC 采样速度下，20MHz 增益带宽能快速稳定响应，具体取决于所需的稳定性能。OPA4323 经良好优化可实现节能，因为该器件仅消耗 1.6mA 的典型静态电流。

OPA4323 实现了 33V/µs 的高压摆率，可在电机电流检测应用中快速检测故障。与传统放大器不同，零交叉输入级可在低侧和高侧感应应用中提供相同的精度性能，因此 OPA4323 成为各种终端设备（例如太阳能串式逆变器、电力输送、高速电机控制）电流检测的理想选择。