探索 LMG5200EVM - 02 GaN 半桥功率级评估模块

在电力电子领域，高效、高速的功率转换一直是工程师们追求的目标。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（Texas Instruments）的 LMG5200EVM - 02 GaN 半桥功率级评估模块（EVM），看看它能为我们带来怎样的惊喜。

文件下载：LMG5200EVM-02.pdf

一、模块概述

LMG5200 是一款集成了驱动器的 80 - V 氮化镓（GaN）半桥功率模块，它采用增强型 GaN FET 提供了集成式功率级解决方案。该模块由两个 GaN FET 组成，由一个高频 GaN FET 驱动器以半桥配置驱动。LMG5200EVM - 02 评估板旨在加速对 LMG5200 的评估，虽然它不能作为独立产品使用，但对于评估 LMG5200 的开关性能非常有帮助。

1. 特色应用

• 宽输入电压范围：输入电压最高可达 80 V DC，能适应多种不同的电源环境。
• 集成高性能 GaN FET：内置 80 - V、15 - mΩ 的 GaN FET 并集成驱动器，大大简化了电路设计。
• 单输入 PWM 信号：支持单输入的 PWM 信号，死区时间为 8 ns，并且可以通过简单的电阻更改来配置板载死区时间调整。
• 板载 LDO：能够从 5.5 V 到 10 V 的不稳定电源中生成 5 - V 的 VCC 电源，为系统提供稳定的供电。
• 开尔文检测功能：具备输入和输出电压的开尔文检测功能，方便进行效率测量。

2. 典型应用

• 高速同步降压转换器：凭借其高速开关特性，非常适合用于高速同步降压转换器，提高转换效率。
• D 类音频放大器：在音频领域，能够为 D 类放大器提供高效的功率转换。
• 48 - V 负载点转换器：可应用于工业、计算和电信领域的 48 - V 负载点转换器。

二、电路原理图与套件内容

1. 原理图

原理图清晰地展示了 EVM 的电路结构，为工程师提供了设计参考。通过分析原理图，我们可以更好地理解模块的工作原理和各个组件之间的连接关系。

2. 套件内容

• 安全说明：详细的安全说明是保障使用安全的重要指南，提醒我们在操作过程中要注意各种安全事项。
• LMG5200EVM - 02 电路板：这是评估模块的核心部分，包含了所有必要的电路组件。

三、电气性能规格

1. 关键参数

• 电感：使用 4.7 - µH 的电感，为电路的稳定运行提供了保障。
• 开关频率：由外部 PWM 信号（0 V 到 5 V）设置，通过调整 PWM 信号的占空比可以控制半桥模块的占空比。

2. 测试设置

测试点功能描述

测试点	名称	描述
TP1	TP1	输入电源的检测连接
TP2	TP2	输出电压的检测连接
TP3	TP3	输出地的检测连接
TP4	TP4	模拟地的检测连接
TP6	TP6	LDO 输出的 5 - V 检测连接
TP7	TP7	输入电源地的检测连接
TP9	TP9	LMG5200 的 HI 输入
TP10	TP10	LMG5200 的 LI 输入
TP12	TP12	SW 节点，设计用于与示波器探头和弹簧式接地连接以进行更好的测量
J1	J1	VIN 电源连接器（最大 80 - V DC）
J2	J2	VOUT 电源连接器（最大 80 - V DC）
J3	J3	EXTVCC 连接（5.5 V - 10 V）

关键连接

• 连接电源到 J3 连接器：为 LMG5200 驱动器提供偏置电源 EXTVCC（5.5 V 到 10 V），该电源由串联 LDO U2（LP3869）调节至 5 V，确保偏置电源准确且不超过栅极电压规格。
• PWM 输入：可以使用函数发生器提供所需的开关频率和占空比的 PWM 输入，连接到 J5 连接器。也可以通过移除 R11、用 0 - Ω 电阻填充 R13 并将 R12 替换为 10 - kΩ 电阻，实现两个单独的 PWM 输入来独立控制 HI 和 LI，但要注意避免直通情况。
• J1 连接器连接：将输入电压连接到 J1 连接器，注意正负极的正确连接。输入电源的检测连接通过 TP1 和 TP7 测试点，输出负载连接到 J2 连接器，正负极检测信号分别为 TP2 和 TP3。

上电过程

1. 驱动偏置电源：先为驱动偏置电源（5.5 V 到 10 V）上电，D1 二极管亮起后，观察测试点 TP9 和 TP10 上的 PWM 信号，确保高低侧的 PWM 信号具有所需的频率（根据输入电压和负载，频率范围为 100 kHz 到 5 MHz），并观察默认的死区时间。
2. 输入电源：为输入电源（10 V 到 80 V）上电，D2 二极管亮起后，观察输出电压（TP2、TP3），调整 PWM 占空比使输出达到所需电压，并加载适当的电子负载。注意，当电源加载时，需要调整 PWM 占空比以补偿损耗。
3. 观察 SW 节点：在板上电之前，将带有小尾线的探头连接到 SW 引脚旁边的过孔，确保测量回路小，准确反映 SW 节点的行为。
4. 设置死区时间：死区时间由连接到跳线 J3 的反相和非反相 PWM 输入之间的 RC 延迟设置。通常不需要更改死区时间，但为了评估死区时间对效率的影响，可以通过改变电阻 R14 和 R2 来调整 RC 延迟，但要确保死区时间不会过小导致直通情况。

下电过程

下电过程与上电过程相反，先关闭负载，然后关闭输入电源，接着关闭 PWM 信号，最后关闭驱动偏置电源。

四、测试结果

测试结果展示了 SW 节点的行为，包括死区时间和过冲情况。例如，在转换器加载 2 A 时，SW 节点的死区时间为 7.7 ns。这些结果为我们评估 LMG5200 的性能提供了重要依据。

五、材料清单

材料清单详细列出了 EVM 中使用的各种组件，包括电容、电阻、电感、二极管、连接器等，为我们了解模块的组成和进行替换提供了参考。

六、安全注意事项

在使用 LMG5200EVM - 02 评估模块时，一定要严格遵守安全指南。该模块在通电时存在高电压，可能会导致电击、烧伤等危险。同时，要保持工作区域的清洁和有序，确保有合格的观察者在场，设置有效的屏障和标识，使用稳定的非导电工作表面，佩戴个人防护设备等。

总之，LMG5200EVM - 02 GaN 半桥功率级评估模块为工程师提供了一个便捷的平台，用于评估 LMG5200 的性能。通过合理的测试设置和操作，我们可以深入了解该模块的特性，为实际应用提供有力的支持。你在使用类似评估模块时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。