深入剖析 TPS51513 降壓控制器評估模塊：設計與應用全解析

在電子工程師的日常工作中，降壓控制器的應用極為廣泛，而評估模塊則是我們了解和驗證控制器性能的重要工具。今天，我們就來詳細探討一下德州儀器（TI）的 TPS51513 降壓控制器評估模塊 TPS51513EVM - 549。

文件下載：TPS51513EVM-549.pdf

一、模塊簡介

TPS51513EVM - 549 是一款單相、D - CAP +? 同步降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊。它能夠利用 8 - 14V（典型值 12V）的調(diào)節(jié)總線，為負載電流高達 20A 的設備提供高電流、可調(diào)節(jié)的可變輸出。通過 3 位 VID 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），輸出電壓可在 0.70V 至 1.05V 之間變化，此外，它還具備固定 1.2V 輸出的選項。

典型應用

該評估模塊適用于一般集成電路（IC）的 VCORE 應用，為相關電路提供穩(wěn)定的電源支持。

模塊特點

1. 輸出電壓靈活：通過 3 位 VID DAC 實現(xiàn) 0.70V - 1.05V 可變輸出，還有固定 1.2V 輸出選項。
2. 高電流輸出能力：能夠提供 20A 的穩(wěn)態(tài)電流，滿足高負載需求。
3. 可選擇開關頻率：支持 250、300、350 或 500kHz 的開關頻率選擇，以適應不同的應用場景。
4. 可選擇電流限制：可以根據(jù)實際需求設置過流保護（OCP）。
5. 可選擇輸出過沖抑制：通過 OSR? 功能減少輸出電壓過沖。
6. 便于測試：設有 J6 用于使能功能，提供了方便的測試點，便于探測關鍵波形。
7. 優(yōu)質(zhì) PCB 設計：采用六層 PCB，外層為 2oz 銅，有助于提高電氣性能。

二、電氣性能規(guī)格

了解評估模塊的電氣性能規(guī)格對于我們正確使用和評估它至關重要。下面是一些關鍵的性能指標：

輸入特性

• 電壓范圍：8 - 14V
• 最大輸入電流：在 VIN = 8V，1.05V/20A 且開關頻率為 300kHz 時，最大輸入電流為 3.0A。
• 無負載輸入電流：VIN = 14V，輸出電流 Io = 0A 時，無負載輸入電流為 10mA。

輸出特性

• 輸出電壓：當 VID0 = VID1 = VID2 = 0 時，輸出電壓為 1.05V。
• 輸出電壓調(diào)節(jié)：
  • 線路調(diào)節(jié)率為 0.1%。
  • 負載調(diào)節(jié)率（非下垂）為 1.0%。
• 輸出電壓紋波：在 VIN = 12V，IO = 20A 且開關頻率為 300kHz 時，輸出電壓紋波為 30mVpp。
• 輸出負載電流：范圍為 0 - 20A，最大過流值為 30A。

系統(tǒng)特性

• 開關頻率：可選擇 250、300、350 或 500kHz。
• 峰值效率：在 VIN = 12V，1.05V/10A 且開關頻率為 300kHz 時，峰值效率為 90.9%。
• 滿載效率：VIN = 12V，1.05V/20A 且開關頻率為 300kHz 時，滿載效率為 89.2%。
• 工作溫度：25°C。

三、測試設置

在對評估模塊進行測試之前，我們需要做好相應的測試設置，以下是具體的測試設備和推薦的測試設置：

測試設備

1. 電壓源：輸入電壓源 VIN 需為 0 - 14V 可變直流源，能夠提供 10ADC 的電流。
2. 萬用表：
   • 一個 0 - 14V 的電壓表（V1）用于測量 VIN 在 TP1（VIN）和 TP2（GND）處的電壓。
   • 一個 0 - 5V 的電壓表（V2）用于測量 Vout 在 TP5（VOUT）和 TP8（GND）處的電壓。
   • 一個 0 - 10A 的電流表（A1）用于測量輸入電流。
3. 輸出負載：輸出負載應為電子恒定電阻模式負載，能夠在 1.05V 下提供 0 - 30ADC 的電流。
4. 示波器：用于測量輸出紋波，需設置為 1MΩ 阻抗、20MHz 帶寬、AC 耦合、2μs/division 水平分辨率和 20mV/division 垂直分辨率。
5. 風扇：由于評估模塊中的部分組件在工作時可能會發(fā)熱接近 60°C，建議使用一個風速為 200 - 400LFM 的小風扇來降低組件溫度。
6. 推薦線規(guī)：
   • 對于 VIN 到 J1（12V 輸入），推薦使用 AWG 14 規(guī)格的電線，總長度應小于 4 英尺（輸入 2 英尺，返回 2 英尺）。
   • 對于 J2、J3 到負載，最小推薦線規(guī)為 2×AWG 14，總長度同樣小于 4 英尺（輸出 2 英尺，返回 2 英尺）。

推薦測試設置

具體的測試設置可參考圖 4 - 2 所示的連接方式。在靜電放電（ESD）工作站上工作時，要確保連接好手腕帶、腳墊或墊子，并將用戶接地后再處理評估模塊。

• 輸入連接：
  1. 在連接直流輸入源 VIN 之前，建議將源電流限制在最大 10A，并將 VIN 初始設置為 0V。
  2. 在 TP1（VIN）和 TP2（GND）處連接電壓表 V1 以測量輸入電壓。
  3. 在 VIN 直流源和 J1 之間連接電流表 A1。
• 輸出連接：
  1. 將負載連接到 J2、J3，并在施加 VIN 之前將負載設置為恒定電阻模式，使其吸收 0ADC 的電流。
  2. 在 TP5（VOUT）和 TP8（GND）處連接電壓表 V2 以測量輸出電壓。
• 其他連接：按照圖 4 - 2 所示放置風扇并打開，確保空氣能夠流過評估模塊。

四、配置選項

在對評估模塊通電之前，我們可以通過設置跳線來對其進行各種配置：

電流限制跳閘選擇（J8：Trip Select）

過流保護（OCP）可以通過 J8 Trip Select（TRIPSEL）進行設置，默認設置為 29A。不同的跳線設置對應不同的 OCP 限制，用戶可以根據(jù)實際需求進行選擇。

頻率選擇（J7：TON Select）

操作頻率可以通過 J7 TON Select（TONSEL）進行設置，默認設置為 300kHz。用戶可以根據(jù)具體應用選擇 250、300、350 或 500kHz 的開關頻率。

過沖抑制選擇（J9：OSRTM Select）

過沖抑制功能可以通過 J9 OSRTM Select（OSRSEL）進行設置，默認設置為最大抑制。用戶可以根據(jù)實際情況選擇關閉、最小、中等或最大的過沖電壓抑制。

VID 位選擇（S1）

輸出電壓可以通過開關 S1（VID Bits）進行設置，默認設置為 000。根據(jù) 3 位 VID 表，不同的開關組合對應不同的輸出電壓，范圍從 0.70V 到 1.05V。

睡眠模式選擇（SLP）

睡眠模式（SLP）可以通過 J5 進行設置，默認跳線設置為 J5 的引腳 2 和引腳 3 短路，以禁用 SLP 模式。

1.2V 輸出電壓選項（J10：VOUT 選擇）

1.2V 輸出可以通過 J10（Vout Select）進行設置，默認設置為 J10 上的跳線短路，以實現(xiàn) 0.70V - 1.05V 的輸出（由 3 位 VID 控制）。若不使用跳線，則可設置為 1.2V 輸出。

五、測試流程

線/負載調(diào)節(jié)和效率測量流程

1. 確保負載設置為恒定電阻模式，并吸收 0ADC 的電流。
2. 在施加 VIN 之前，確保評估模塊附帶的 J6 上的跳線存在。
3. 將 VIN 從 0V 增加到 12V，使用 V1 測量輸入電壓。
4. 移除 J6 上的跳線以啟用控制器。
5. 將負載從 0ADC 變化到 20ADC，確保 Vout 保持在負載調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。
6. 將 VIN 從 8V 變化到 14V，確保 VOUT 保持在線路調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。
7. 將跳線放回 J6 以禁用控制器。
8. 將負載降低到 0A。
9. 將 VIN 降低到 0V。

測試點列表

設備關機

測試完成后，按照以下步驟關機：

1. 關閉負載。
2. 關閉 VIN 電源。
3. 關閉風扇。

六、性能數(shù)據(jù)和典型特性曲線

文檔中給出了 TPS51513EVM - 549 的一系列典型性能曲線，包括效率、負載調(diào)節(jié)、線路調(diào)節(jié)、電流監(jiān)測電壓、輸出紋波、開關節(jié)點、輸出瞬態(tài)、開啟波形、關閉波形和波特圖等。這些曲線能夠幫助我們更直觀地了解評估模塊在不同條件下的性能表現(xiàn)。例如，從效率曲線中我們可以看到評估模塊在不同負載電流下的效率變化情況，從而選擇合適的工作點以提高系統(tǒng)效率。

七、EVM 組裝圖和 PCB 布局

文檔展示了 TPS51513EVM - 549 印刷電路板的設計，該評估模塊采用了六層電路板，外層為 2oz 銅。通過查看組裝圖和 PCB 布局，我們可以了解各個組件的位置和布線情況，這對于我們進行電路優(yōu)化和故障排查具有重要意義。

八、物料清單

詳細的物料清單列出了評估模塊中使用的所有組件，包括電容、電阻、二極管、電感、MOSFET、IC 等，以及它們的型號、制造商和規(guī)格。這對于我們了解評估模塊的硬件組成和進行物料采購非常有幫助。

九、總結(jié)

TPS51513EVM - 549 評估模塊為我們提供了一個全面了解 TPS51513 同步降壓控制器性能的平臺。通過合理的測試設置、靈活的配置選項和詳細的測試流程，我們可以準確評估該控制器在不同應用場景下的性能。同時，性能數(shù)據(jù)和典型特性曲線為我們優(yōu)化系統(tǒng)設計提供了有力的依據(jù)。希望本文能夠幫助電子工程師們更好地使用和理解 TPS51513EVM - 549 評估模塊。你在使用類似評估模塊的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享。