TPS54010EVM - 067 評(píng)估模塊：設(shè)計(jì)與測(cè)試全解析

在電子工程師的日常工作中，一款性能出色的評(píng)估模塊往往能為設(shè)計(jì)和測(cè)試帶來(lái)極大的便利。今天，我們就來(lái)深入探討一下德州儀器（TI）的 TPS54010EVM - 067 14 - Amp SWIFT M 調(diào)節(jié)器評(píng)估模塊。

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一、模塊背景與性能概述

1.1 背景

TPS54010 是一款直流 - 直流（dc/dc）轉(zhuǎn)換器，旨在從 2.2 V 至 4 V 的輸入電壓源提供高達(dá) 14 A 的輸出電流。這款評(píng)估模塊展示了使用 TPS54010 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí)可實(shí)現(xiàn)的小 PCB 面積，但并不代表使用該器件設(shè)計(jì)時(shí)能達(dá)到的最高效率。其開關(guān)頻率標(biāo)稱設(shè)置為 700 kHz，允許使用小尺寸的 0.68 - μH 輸出電感器。此外，高、低端 MOSFET 與柵極驅(qū)動(dòng)電路集成在 TPS54010 封裝內(nèi)，低的漏源導(dǎo)通電阻使 TPS54010 能實(shí)現(xiàn)高效率，并有助于在高輸出電流時(shí)保持較低的結(jié)溫。補(bǔ)償組件位于 IC 外部，可實(shí)現(xiàn)可調(diào)輸出電壓和可定制的環(huán)路響應(yīng)。同時(shí)，TPS54010 具備可編程欠壓鎖定、同步、可調(diào)開關(guān)頻率、使能和電源良好等功能。

1.2 性能規(guī)格總結(jié)

二、模塊修改與定制

2.1 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)

需要注意的是，要生成 2.5 V 的輸出，PVIN 必須大于 3 V。此外，最小輸出電壓受器件最小可控導(dǎo)通時(shí)間（200 ns）限制，可通過公式 (V{OUTMIN }=200 nsec × f{S} × V_{INMAX }) 近似計(jì)算。

2.2 開關(guān)頻率

EVM 的開關(guān)頻率通過將 R4 設(shè)置為 71.5 kΩ 設(shè)定為 700 kHz。通過改變 R4 的值，可將開關(guān)頻率調(diào)整到 250 kHz 至 700 kHz 之間，計(jì)算公式為 (f{SW}=frac{100 k Omega}{R{4}} × 500(kHz))。此外，也可通過移除 R4 并在 J4 引腳 3 上使用跳線來(lái)選擇 350 - kHz 或 550 - kHz 的內(nèi)部編程頻率。需要注意的是，降低開關(guān)頻率會(huì)增加輸出紋波，除非增加 L1 的值。

2.3 其他修改

• 輸入濾波器：板載電解輸入電容 C1 可根據(jù)應(yīng)用情況移除。
• 分離輸入電壓軌：TPS54010 有兩個(gè)輸入電壓軌 PVIN 和 VIN。正常情況下，可按規(guī)格在 J1 和 J2 連接器施加電壓。也可通過在 J1 連接器施加 3 - V 至 3.5 - V 的電壓并在 JP1 上安裝跳線，使 EVM 從單個(gè)電源工作。
• 同步：TPS54010EVM - 067 可同步到外部時(shí)鐘頻率，同步頻率范圍為 330 kHz 至 700 kHz。通過連接到 J4 的引腳 2 驅(qū)動(dòng)同步信號(hào)到 SYNC 引腳，并使用 R4 將自由運(yùn)行頻率設(shè)置為同步信號(hào)的 80%。
• 延長(zhǎng)軟啟動(dòng)時(shí)間：可通過改變 C5 的值來(lái)延長(zhǎng)軟啟動(dòng)時(shí)間（TSS），計(jì)算公式為 (C 5(mu F)=T_{S S}(m s) × frac{5 mu A}{1.2 V})。
• 輸出濾波器：預(yù)留了添加額外輸出濾波電容（C12）的位置，焊盤尺寸適合 1210 組件。

三、測(cè)試設(shè)置與結(jié)果

3.1 輸入/輸出連接

TPS54010EVM - 067 配備了輸入/輸出連接器和測(cè)試點(diǎn)。通過一對(duì) 14 AWG 電線將能夠提供 12 A 的電源連接到 J1，通過一對(duì) 22 AWG 電線將能夠提供 25 mA 的電源連接到 J2，通過一對(duì) 14 AWG 電線將負(fù)載連接到 J3，最大負(fù)載電流能力為 14 A。同時(shí)，要盡量減少電線長(zhǎng)度以降低電線中的損耗。測(cè)試點(diǎn) TP1 和 TP2 可用于監(jiān)測(cè) PVIN 和 VIN 輸入電壓，TP7 用于監(jiān)測(cè)輸出電壓，TP8 作為接地參考。

3.2 效率

TPS54010EVM - 067 的效率在負(fù)載電流約為 2 A 時(shí)達(dá)到峰值，然后隨著負(fù)載電流接近滿載而降低。在較高環(huán)境溫度下，由于 MOSFET 漏源電阻的溫度變化，效率會(huì)降低。此外，由于 MOSFET 的柵極和開關(guān)損耗，700 kHz 時(shí)的效率略低于較低開關(guān)頻率時(shí)的效率。

3.3 輸出電壓調(diào)節(jié)

輸出電壓的負(fù)載調(diào)節(jié)和線性調(diào)節(jié)情況可通過相應(yīng)的圖表查看。在環(huán)境溫度為 25°C 時(shí)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果展示了該模塊在不同負(fù)載和輸入電壓條件下的電壓調(diào)節(jié)能力。

3.4 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

TPS54010EVM - 067 對(duì)負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)表現(xiàn)為電流從最大額定負(fù)載的 25% 到 75% 變化時(shí)，輸出電壓的總峰 - 峰電壓變化，包括紋波和噪聲。

3.5 環(huán)路特性

通過增益和相位圖展示了在 PVIN 電壓為 2.2 V 和 3.5 V 時(shí)的環(huán)路響應(yīng)特性，幫助工程師了解模塊在不同輸入電壓下的環(huán)路性能。

3.6 輸出電壓紋波和輸入電壓紋波

分別展示了在特定輸入電壓和額定滿載電流（14 A）下的輸出電壓紋波和輸入電壓紋波情況，為工程師評(píng)估模塊的紋波特性提供了依據(jù)。

3.7 上電和下電

通過波形圖展示了模塊的上電過程，包括輸入電壓達(dá)到內(nèi)部設(shè)定的 UVLO 閾值電壓后開始軟啟動(dòng)序列，輸出電壓逐漸上升到最終值的過程。同時(shí)，還展示了輸出電壓相對(duì)于 SS/ENA 的上電情況。

四、電路板布局

TPS54010EVM - 067 的電路板布局采用典型的用戶應(yīng)用方式。頂層包含 Vin、Vout 和 Vphase 的主要電源走線，以及 TPS54010 其余引腳的連接和大面積的接地區(qū)域。底層包含接地和 Vout 銅區(qū)域以及一些信號(hào)布線。兩個(gè)內(nèi)部層為專用接地層，頂層、底層和內(nèi)部接地走線通過多個(gè)過孔連接，其中 10 個(gè)過孔直接位于 TPS54010 器件下方，為 PowerPAD 焊盤提供了到地的熱路徑。輸入去耦電容、偏置去耦電容和自舉電容都盡可能靠近 IC 放置，補(bǔ)償組件也靠近 IC，補(bǔ)償電路在調(diào)節(jié)點(diǎn)與輸出電壓相連，靠近高頻旁路輸出電容。

五、原理圖和物料清單

5.1 原理圖

提供了 TPS54010EVM - 067 的詳細(xì)原理圖，幫助工程師了解模塊的電路結(jié)構(gòu)和信號(hào)流向。

5.2 物料清單

列出了模塊所需的所有組件，包括電容、電阻、電感、連接器、IC 等，為工程師進(jìn)行物料采購(gòu)和組裝提供了依據(jù)。

綜上所述，TPS54010EVM - 067 評(píng)估模塊為電子工程師提供了一個(gè)全面的平臺(tái)，用于測(cè)試和評(píng)估 TPS54010 調(diào)節(jié)器的性能。通過對(duì)模塊的修改和定制，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，詳細(xì)的測(cè)試結(jié)果和電路板布局信息也為設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了有力的支持。大家在使用這款評(píng)估模塊時(shí)，是否也遇到過一些有趣的問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。