TPS40190 Buck控制器評估模塊用戶指南

在電子設(shè)計領(lǐng)域，評估模塊是驗證和測試新器件性能的重要工具。本文將詳細介紹德州儀器（Texas Instruments）的TPS40190 Buck控制器評估模塊（TPS40190EVM - 001），包括其基本信息、電氣性能規(guī)格、測試設(shè)置等內(nèi)容，希望能為電子工程師們在實際應(yīng)用中提供參考。

文件下載：TPS40190EVM-001.pdf

一、模塊簡介

1.1 描述

TPS40190EVM - 001是一款同步降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊，它能從12V輸入總線提供固定的1.5V輸出，最大負載電流可達10A。該模塊設(shè)計為可從單電源啟動，無需額外的偏置電壓。它采用了引腳數(shù)量減少的TPS40190同步降壓控制器，可使用10V - 14V的穩(wěn)壓總線產(chǎn)生高電流、穩(wěn)壓的1.5V輸出。此外，通過更改單個設(shè)置電阻，該模塊還能支持0.9V - 3.3V的輸出電壓。

1.2 應(yīng)用

該評估模塊適用于多種應(yīng)用場景，如非隔離中電流負載點和低壓總線轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電信設(shè)備以及直流電源分布式系統(tǒng)等。

1.3 特性

• 輸入范圍：10V - 14V
• 輸出電壓：固定1.5V，可通過單個電阻調(diào)節(jié)
• 輸出電流：穩(wěn)態(tài)輸出電流可達10A
• 開關(guān)頻率：300kHz（由TPS40190固定）
• MOSFET配置：采用單個主開關(guān)N溝道MOSFET和單個同步整流N溝道MOSFET
• PCB設(shè)計：雙面3英寸×3英寸的PCB，所有組件都在頂面
• 測試點：提供方便的測試點，用于探測關(guān)鍵波形和進行非侵入式環(huán)路響應(yīng)測試

二、電氣性能規(guī)格

2.1 輸入特性

• 輸入電壓范圍：10V - 14V
• 最大輸入電流：當輸入電壓為10V，輸出電流為10A時，最大輸入電流為2A
• 無負載輸入電流：當輸入電壓為14V，輸出電流為0A時，無負載輸入電流為100mA

2.2 輸出特性

• 輸出電壓：在特定電阻配置下，輸出電壓范圍為1.45V - 1.55V
• 電壓調(diào)節(jié)：包括線路調(diào)節(jié)（10V < VIN < 14V，IOUT = 5A時，輸出電壓調(diào)節(jié)為1%）和負載調(diào)節(jié)（0A < IOUT < 10A，VIN = 12V）
• 輸出電壓紋波：當輸入電壓為14V，輸出電流為10A時，輸出電壓紋波為25 - 50mVpp
• 輸出負載電流：范圍為0 - 10A
• 輸出過電流：23A

2.3 系統(tǒng)特性

• 開關(guān)頻率：范圍為240 - 360kHz
• 峰值效率：在不同輸入電壓和輸出電流條件下，峰值效率有所不同，例如在V12V_IN = 10V，VOUT = 1.5V，8A < IOUT < 12A時，峰值效率為87%
• 滿載效率：在不同輸入電壓和輸出電流條件下，滿載效率也有所不同，例如在V12V_IN = 10V，VOUT = 1.5V，IOUT = 15A時，滿載效率為84%

三、原理圖及參數(shù)調(diào)整

3.1 調(diào)整輸出電壓（R1）

通過改變反饋電阻分壓器中的接地電阻R1，可以在有限范圍內(nèi)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓輸出電壓。輸出電壓可由公式[V{OUT }=V{V R E F} × frac{R 5+R 1}{R 1}]計算得出，其中(V_{VREF}=0.591V)，(R 5 = 10kΩ)。文檔中還給出了不同輸出電壓對應(yīng)的R1常見值。需要注意的是，雖然TPS40190EVM - 001在這些輸出電壓下是穩(wěn)定的，但由于功率級是針對1.5V輸出進行優(yōu)化的，因此效率可能會受到影響。

3.2 調(diào)整短路保護（R6）

TPS40190采用可選的電流限制來實現(xiàn)短路保護。通過在R6處放置電阻，可以從三個級別中選擇電流限制。TPS40190將高端FET（VDD到SW）上的電壓降與啟動期間選擇的內(nèi)部參考電壓進行比較。文檔中給出了不同VSCP對應(yīng)的R6值。在宣布短路保護之前的電流可以通過將VSCP除以高端FET（Q2）的RDS(ON)來確定。

3.3 禁用功能（TP1和SW1）

TPS40190EVM - 001提供了禁用輸入（TP1）和禁用開關(guān)（SW1），使用戶能夠評估TPS40190的啟用功能。當開關(guān)打開或TP1被拉高時，Q1將EN（U1引腳1）拉至接地，從而禁用TPS40190 IC。

四、測試設(shè)置

4.1 設(shè)備要求

• 電壓源（V12V_IN）：應(yīng)是一個0V - 15V的可變直流電源，能夠提供5A的直流電流。
• 儀表：包括一個0A - 5A的直流電流表A1、一個測量V12V_IN的0V - 15V電壓表V1和一個測量V1V5_OUT的0V - 5V電壓表V2。
• 負載（LOAD1）：應(yīng)是一個能夠在1.5V下提供0A - 15A直流電流的電子恒流模式負載。
• 示波器：可使用數(shù)字或模擬示波器來測量VOUT上的紋波電壓，示波器應(yīng)設(shè)置為1MΩ阻抗、20MHz帶寬、交流耦合、1ms/格的水平分辨率和20mV/格的垂直分辨率。
• 推薦線規(guī)：V12V_IN到J1的連接應(yīng)使用最小AWG #16的電線，總長度小于4英尺；J2到LOAD1的電源連接應(yīng)使用2× AWG #16的電線，總長度小于4英尺。
• 風(fēng)扇：由于評估模塊中的組件可能會發(fā)熱，需要一個能夠提供200 - 400 lfm風(fēng)量的小風(fēng)扇來降低組件表面溫度，以防止用戶受傷。

4.2 設(shè)備設(shè)置步驟

1. 在靜電放電（ESD）工作站工作，確保在給評估模塊通電之前，將任何腕帶、靴帶或墊子連接到接地參考點，并佩戴靜電服和安全眼鏡。
2. 在連接直流輸入源V12V_IN之前，建議將源電流限制在最大5.0A，并確保V12V_IN初始設(shè)置為0V，然后按照圖4 - 1所示進行連接。
3. 將電流表A1（0A - 5A范圍）連接在V12V_IN和J1之間。
4. 將電壓表V1連接到TP6和TP7。
5. 將LOAD1連接到J2，并在施加V12V_IN之前將LOAD1設(shè)置為恒流模式，使其吸收0A的電流。
6. 將電壓表V2跨接在TP8和TP11之間。
7. 將示波器探頭連接到TP9和TP10。
8. 按照圖4 - 1所示放置風(fēng)扇并打開，確保空氣流過評估模塊。

4.3 啟動/關(guān)閉程序

1. 將V12V_IN從0V增加到10V DC。
2. 將LOAD1從0A變化到10A DC。
3. 將V12V_IN從1V DC變化到14V DC。
4. 將LOAD1減小到0A。

4.4 控制環(huán)路增益和相位測量程序

1. 將一個1kHz - 1MHz的隔離變壓器連接到TP2和TP3。
2. 將輸入信號幅度測量探頭（通道A）連接到TP2。
3. 將輸出信號幅度測量探頭（通道B）連接到TP3。
4. 將通道A和通道B的接地引線連接到TP4。
5. 通過隔離變壓器在R7上注入25mV或更小的信號。
6. 以10Hz或更低的后置濾波器從1kHz到1MHz進行頻率掃描。
7. 控制環(huán)路增益可以通過(20 ×LOG(frac{ ChannelB }{ ChannelA }))測量。
8. 控制環(huán)路相位通過通道A和通道B之間的相位差測量。
9. 在進行其他測量之前，從TP2和TP3斷開隔離變壓器，因為信號注入反饋可能會干擾其他測量的準確性。

4.5 設(shè)備關(guān)閉

1. 關(guān)閉示波器。
2. 關(guān)閉LOAD1。
3. 關(guān)閉V12V_IN。
4. 關(guān)閉風(fēng)扇。

五、典型性能數(shù)據(jù)和特性曲線

文檔中給出了TPS40190EVM - 001的典型性能曲線，包括效率曲線和線路及負載調(diào)節(jié)曲線。需要注意的是，實際性能數(shù)據(jù)可能會受到測量技術(shù)和環(huán)境變量的影響，這些曲線僅作為參考，可能與實際現(xiàn)場測量結(jié)果有所不同。

六、EVM組裝圖和布局

TPS40190EVM - 001的印刷電路板采用雙面、2盎司覆銅的3.0英寸×3.0英寸設(shè)計，所有組件都在頂面，方便用戶查看、探測和評估TPS40190控制IC在實際應(yīng)用中的性能。對于空間受限的系統(tǒng)，將組件移動到PCB的兩側(cè)或使用額外的內(nèi)部層可以進一步減小尺寸。

七、材料清單

文檔中提供了TPS40190EVM - 001的材料清單，包括各個組件的數(shù)量、參考編號、描述、尺寸、制造商和零件編號等信息，為工程師在設(shè)計和組裝過程中提供了詳細的參考。

八、修訂歷史

從2005年9月的版本到2022年1月的版本，文檔進行了一些更新，包括更新表格、圖形和交叉引用的編號格式、更新用戶指南標題以及編輯用戶指南以提高清晰度。

在實際使用TPS40190EVM - 001評估模塊時，電子工程師們需要仔細閱讀本文檔，按照要求進行測試設(shè)置和操作，以確保準確評估模塊的性能。同時，要注意文檔中提到的注意事項和安全要求，避免因操作不當而導(dǎo)致設(shè)備損壞或人身傷害。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。