深入剖析TPS43060EVM - 199評(píng)估模塊

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DC - DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用至關(guān)重要。今天，我們來深入了解德州儀器（Texas Instruments）的TPS43060EVM - 199評(píng)估模塊，它能幫助電子工程師更好地評(píng)估TPS43060 DC - DC同步升壓控制器的性能。

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1. 模塊背景與性能規(guī)格

1.1 模塊背景

TPS43060是一款DC - DC同步升壓控制器，能在4.5V至38V的輸入電壓源下實(shí)現(xiàn)最高58V的輸出電壓。它擁有7.5V的柵極驅(qū)動(dòng)電源，適合與標(biāo)準(zhǔn)閾值MOSFET配合使用。評(píng)估模塊的額定輸入電壓范圍為10V至38V，輸出電流范圍為0A至3A。其開關(guān)頻率外部設(shè)置為標(biāo)稱300kHz，外部高端和低端FET的柵極驅(qū)動(dòng)電路集成在TPS43060封裝內(nèi)。模塊采用英飛凌的BSC123N08NS3G作為高端和低端MOSFET，通過外部電感DCR或電阻電流感應(yīng)實(shí)現(xiàn)逐周期電流限制的調(diào)整，補(bǔ)償組件在集成電路外部，外部電阻分壓器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整。此外，TPS43060還提供了帶遲滯的可調(diào)欠壓鎖定、通過外部電容實(shí)現(xiàn)的可調(diào)慢啟動(dòng)時(shí)間以及電源良好輸出電壓指示。

1.2 性能規(guī)格總結(jié)

評(píng)估模塊的性能規(guī)格在輸入電壓(V_{IN}=24V)、輸出電壓40V的條件下進(jìn)行測試（除非另有說明），環(huán)境溫度為25°C。具體規(guī)格如下：

• 輸入電壓范圍：10V - 38V
• 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)：40V
• 輸出電流范圍：當(dāng)(V{IN}=15V)至38V時(shí)為0A - 3A；當(dāng)(V{IN}=10V)時(shí)為0A - 2A
• 線路調(diào)節(jié)率：(V{IN}=10V)至35V，(I{OUT}=2A)時(shí)為±0.1%
• 負(fù)載調(diào)節(jié)率：(I_{OUT}=0.001A)至3A時(shí)為±0.1%
• 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)：(I{OUT})從0.75A到2.25A時(shí)，電壓變化 - 700mV，恢復(fù)時(shí)間1ms；(I{OUT})從2.25A到0.75A時(shí)，電壓變化600mV，恢復(fù)時(shí)間1ms
• 環(huán)路帶寬：(I_{OUT}=3A)時(shí)為4.7kHz
• 相位裕度：(I_{OUT}=3A)時(shí)為64
• 輸入電壓紋波：(I_{OUT}=3A)時(shí)為100mVpp
• 輸出電壓紋波：(I_{OUT}=3A)時(shí)為350mVpp
• 輸出上升時(shí)間：25ms
• 工作頻率：300kHz
• 峰值效率：(I_{OUT}=3A)時(shí)為97.7%
• DCM閾值：660mA
• 脈沖跳過閾值：3.5mA
• 無負(fù)載輸入電流：1.3mA
• UVLO啟動(dòng)閾值：9.66V
• UVLO停止閾值：7.92V

2. 模塊原理圖與修改方法

2.1 原理圖

模塊的原理圖展示了其電路結(jié)構(gòu)，包含輸入、輸出、MOSFET、電感、電容、電阻等元件的連接方式。通過原理圖，我們可以清晰地了解模塊的工作原理和信號(hào)流向。

2.2 修改方法

• 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)：要改變評(píng)估模塊的輸出電壓，需改變電阻R8的值?？墒褂霉?R{HS}=R{LS} × frac{V{OUT }-V{FB}}{V{FB}})計(jì)算，其中(R{HS})是R8，(R{LS})是R9，(V{FB})是1.22V，建議R9的值接近10kΩ。同時(shí)，(V_{IN})必須在一定范圍內(nèi)，以確保最小導(dǎo)通時(shí)間大于典型的100ns，最小關(guān)斷時(shí)間大于典型的250ns和開關(guān)周期的5%中的較大值。
• 電流感應(yīng)：默認(rèn)配置為電阻電流感應(yīng)，R13和R14安裝，R15開路。調(diào)整輸入電壓、輸出電壓或期望的最大輸出電壓時(shí)，可能需要調(diào)整電流感應(yīng)電阻R16和R17。首先使用公式(L{peak} =frac{V{OUT }}{1-frac{V{OUT }-V{IN } min }{V{OUT }}}+frac{V{IN } min × frac{V{OUT }-V{IN } min }{V{OUT }}}{2 × L × f{SW}})計(jì)算峰值電感電流，然后使用公式(R{CS}=frac{V{CS} typ }{1.2 × L{peak }})計(jì)算所需的電流感應(yīng)電阻，其中(V{CS} typ)是電流感應(yīng)閾值，應(yīng)根據(jù)TPS43060數(shù)據(jù)手冊和應(yīng)用中的最大占空比確定。對于電感DCR電流感應(yīng)，應(yīng)將R14開路，同時(shí)將R15、R16、R17和R18短路。
• 慢啟動(dòng)時(shí)間：通過改變C7的值來調(diào)整慢啟動(dòng)時(shí)間，可使用公式(C{SS}=frac{t{SS} × I{SS}}{V{REF}})計(jì)算所需電容，其中(I{SS})是典型的5μA充電電流，(V{REF})是1.22V的內(nèi)部參考電壓。評(píng)估模塊使用(C7 = 0.1μF)設(shè)置慢啟動(dòng)時(shí)間為25ms。
• 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）：可使用R3和R4外部調(diào)整欠壓鎖定。評(píng)估模塊使用(R3 = 357kΩ)和(R4 = 47.5kΩ)設(shè)置啟動(dòng)電壓為9.66V，停止電壓為7.92V。使用公式(R{UVLO_L}=frac{R{UVLO_H} × V{EN_DIS}}{V{STOP}-V{EN_DIS}+R{UVLO_H} timesleft(I{EN_pup}+I{EN_hys }right)})和(R{UVLO_H }=frac{V{START } timesleft(frac{V{EN_DIS }}{V{EN_ON }}right)-V{STOP }}{I{EN_pup} timesleft(1-frac{V{EN_DIS }}{V{EN_ON }}right)+I{EN_hys }})分別計(jì)算R3和R4的所需電阻值，典型常量值為(V{EN_DIS}=1.14V)，(V{EN_ON}=1.21V)，(I{EN_pup}=1.8μA)，(I_{EN_hys}=3.2μA)。
• 輸入電壓軌：評(píng)估模塊設(shè)計(jì)為適應(yīng)功率級(jí)和控制邏輯的不同輸入電壓水平。默認(rèn)配置下，VIN輸入通過安裝0Ω電阻R11連接，輸入電壓通過J6提供。如果需要，可移除R11以分離兩個(gè)輸入電壓軌，控制邏輯輸入電壓可通過J4提供，功率級(jí)輸入電壓通過J6提供。
• 進(jìn)一步修改：改變評(píng)估模塊的輸入和輸出條件會(huì)影響設(shè)計(jì)，可能需要修改電感、輸出電容和補(bǔ)償組件以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中的期望性能，具體可參考數(shù)據(jù)手冊或產(chǎn)品文件夾中的Excel設(shè)計(jì)電子表格。

3. 測試設(shè)置與結(jié)果

3.1 輸入/輸出連接

評(píng)估模塊包含I/O連接器和測試點(diǎn)，需使用能夠提供至少12A的電源通過一對20 - AWG電線連接到J6，負(fù)載通過一對20 - AWG電線連接到J2，最大負(fù)載電流能力為3A。應(yīng)盡量減小電線長度以減少電線中的損耗。測試點(diǎn)TP8用于監(jiān)測(V_{IN})輸入電壓，TP9作為接地參考；TP3用于監(jiān)測輸出電壓，TP4作為接地參考。

3.2 效率

在標(biāo)稱(V_{IN}=24V)時(shí)，評(píng)估模塊的效率在負(fù)載電流約為3A時(shí)達(dá)到峰值，隨后隨著負(fù)載電流向最大負(fù)載增加而降低。不同輸入電壓下的效率曲線展示了模塊在不同負(fù)載電流下的效率表現(xiàn)。需要注意的是，由于所選外部MOSFET的漏源電阻隨溫度變化，在較高環(huán)境溫度下效率可能會(huì)降低。

3.3 輸出電壓調(diào)節(jié)

負(fù)載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)曲線展示了評(píng)估模塊在不同負(fù)載電流和輸入電壓下的輸出電壓偏差情況。在環(huán)境溫度為25°C時(shí)，負(fù)載調(diào)節(jié)率和線路調(diào)節(jié)率均為±0.1%，表明模塊具有良好的電壓調(diào)節(jié)性能。

3.4 負(fù)載瞬態(tài)和環(huán)路響應(yīng)

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)曲線展示了模塊在負(fù)載電流從25%到75%最大額定負(fù)載變化時(shí)的輸出電壓變化情況，包括紋波和噪聲。環(huán)路響應(yīng)曲線展示了模塊在標(biāo)稱(V_{IN}=24V)、負(fù)載電流為3A時(shí)的增益和相位特性。

3.5 輸出電壓紋波

分別展示了連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）、不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）和脈沖跳過模式下的輸出電壓紋波情況。在不同的輸出電流和輸入電壓條件下，模塊的輸出電壓紋波表現(xiàn)不同。

3.6 輸入電壓紋波

展示了CCM和DCM模式下的輸入電壓紋波情況，測量是在輸出電流為額定滿載3A和標(biāo)稱(V_{IN}=24V)的條件下進(jìn)行的。

3.7 啟動(dòng)和關(guān)機(jī)

啟動(dòng)波形展示了模塊在輸入電壓上升和EN信號(hào)變化時(shí)的啟動(dòng)過程，包括(V{CC})、(V{OUT})和PGOOD信號(hào)的變化。關(guān)機(jī)波形展示了模塊在輸入電壓移除和EN信號(hào)接地時(shí)的關(guān)機(jī)過程。

3.8 柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)

展示了高端和低端FET的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)與開關(guān)節(jié)點(diǎn)的波形，輸入電壓為24V，輸出負(fù)載為3A。

4. 物料清單與電路板布局

4.1 物料清單

物料清單詳細(xì)列出了評(píng)估模塊所使用的各種元件，包括電容、電阻、二極管、MOSFET、電感、連接器、測試點(diǎn)等，以及它們的參數(shù)、規(guī)格、制造商和型號(hào)。

4.2 電路板布局

評(píng)估模塊的電路板采用4層2 - oz銅設(shè)計(jì)。頂層包含(V{IN})、(V{OUT})和SW的主要功率走線，以及所有其他組件，方便用戶查看、探測和評(píng)估TPS43060控制IC。其余三層有額外的銅用于VIN、VOUT、AGND和PGND，并通過多個(gè)過孔連接。第二內(nèi)部層和底層包含信號(hào)路由。TPS43060器件下方的四個(gè)過孔提供了從頂層接地平面到底層和內(nèi)部AGND平面的熱路徑。布局遵循一定的準(zhǔn)則，如將所有對噪聲敏感的模擬電路盡可能靠近IC放置，電壓分壓器網(wǎng)絡(luò)在底層靠近輸出電容處連接到輸出電壓，Q1和Q2盡可能靠近IC以縮短?hào)艠O驅(qū)動(dòng)走線，輸出電容放置在Q1和Q2旁邊以限制高頻開關(guān)電流路徑的長度，SW銅面積盡可能小以限制高頻開關(guān)電壓節(jié)點(diǎn)的輻射噪聲等。

通過對TPS43060EVM - 199評(píng)估模塊的詳細(xì)分析，我們可以看到它在DC - DC升壓控制方面具有良好的性能和可調(diào)節(jié)性。電子工程師可以根據(jù)實(shí)際需求對模塊進(jìn)行修改和優(yōu)化，以滿足不同應(yīng)用的要求。大家在實(shí)際使用中是否遇到過類似模塊的調(diào)試問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。