探索TPS54356EVM - 058評估模塊：設(shè)計與性能解析

在電子工程師的日常工作中，評估模塊是驗證和測試電源設(shè)計的重要工具。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的TPS54356EVM - 058評估模塊，了解其特點、性能以及如何進行設(shè)計修改。

文件下載：TPS54356EVM-058.pdf

一、模塊概述

TPS54356EVM - 058評估模塊旨在展示TPS54356直流 - 直流轉(zhuǎn)換器的性能。該轉(zhuǎn)換器能夠從4.5至20V的輸入電壓源提供高達3A的輸出電流。此評估模塊設(shè)計的一大亮點在于，它展示了使用TPS54356調(diào)節(jié)器設(shè)計時可實現(xiàn)的小PCB面積，但并不代表使用該器件設(shè)計時所能達到的高效率。其開關(guān)頻率標稱設(shè)置為500kHz，允許使用相對小尺寸的22μH輸出電感器。

二、性能規(guī)格

輸入輸出范圍

輸入電壓范圍為4.5V至20V（最大），標稱值為6.0至18V；輸出電流范圍為0至3A。

性能指標

在輸入電壓為12V、輸出電壓為3.3V、環(huán)境溫度為25°C的條件下，該評估模塊的性能指標如下：

• 負載調(diào)節(jié)：在特定負載變化下，輸出電壓的變化情況。
• 負載瞬態(tài)響應(yīng)：當負載電流從2.25A變化到0.75A時，輸出電壓的變化及恢復時間。
• 最大效率：在負載電流約為1至2A時達到峰值，最高可達92%。

三、設(shè)計修改

輸出電壓設(shè)定

開關(guān)頻率調(diào)整

評估模塊的開關(guān)頻率默認設(shè)置為500kHz，通過將R4開路實現(xiàn)。若將R4短路，工作頻率將設(shè)置為250kHz。此外，還可以通過改變R4的值將開關(guān)頻率調(diào)整到250kHz至700kHz之間，計算公式為： [RT(k Omega )=frac{46000}{f_{S}(kHz)-35.9}] 如果使用可編程開關(guān)頻率，需在R11位置安裝一個10kΩ的電阻，以降低SYNC引腳對噪聲的敏感性。

輸入濾波器

板載電解輸入電容C1可根據(jù)應(yīng)用需求選擇是否移除。

UVLO編程

TPS54356內(nèi)部有一個從(V{IN})到AGND的分壓器，其啟動和停止閾值因器件型號而異。若要設(shè)置不同的閾值，可以通過選擇R6和R7的值來實現(xiàn)，計算公式如下： [R 6=frac{V{I( start )} × R 7}{ UVLO(start) }-R 7] [V_{I( stop )}=frac{(R 6+R 7) × 1.02}{R 7}] 通常，R7取值為1kΩ較為合適。

同步功能

該評估模塊支持與TPS5435X系列的其他器件進行同步操作。當RT引腳接地或浮空，將開關(guān)頻率設(shè)置為250或500kHz時，SYNC引腳作為輸出；當RT引腳通過電阻接地設(shè)置可編程工作頻率時，SYNC引腳作為輸入，且為下降沿觸發(fā)。通過J3接頭可訪問SYNC信號，若將SYNC信號配置為輸入，R11應(yīng)端接一個10kΩ的電阻。

延長軟啟動時間

通過在評估模塊的R12和C6位置安裝元件，可以延長軟啟動時間。R12必須為2kΩ，C6必須小于0.47μF。C6的值可根據(jù)所需的軟啟動時間通過以下公式計算： [C6 (mu F)=5.5 × 10^{-3} × 0.818 × T_{S S}(m s)] 需要注意的是，該公式僅適用于TPS54356。若評估模塊修改為不同的輸出電壓，需參考產(chǎn)品數(shù)據(jù)表（SLVS519）獲取設(shè)置軟啟動時間的更多信息。

無低側(cè)FET操作

TPS54356EVM - 058可以使用續(xù)流二極管代替外部低側(cè)FET進行操作。PCB背面提供了續(xù)流二極管D1的焊盤，Motorola MBRS340T3適用于此應(yīng)用。

四、測試設(shè)置與結(jié)果

輸入輸出連接

評估模塊配備了輸入/輸出連接器和測試點。應(yīng)使用能夠提供4A電流的電源通過一對20 - AWG電線連接到J1，負載通過一對20 - AWG電線連接到J2，最大負載電流能力為3A。為減少電線損耗，應(yīng)盡量縮短電線長度。測試點TP4和TP5用于監(jiān)測輸入電壓，TP3和TP6用于監(jiān)測輸出電壓。

效率測試

評估模塊的效率在負載電流約為1至2A時達到峰值，隨后隨著負載電流接近滿載而下降。較高的環(huán)境溫度會因MOSFET的漏源電阻溫度變化而降低效率，700kHz的開關(guān)頻率下效率略低于較低開關(guān)頻率，這是由于MOSFET的柵極和開關(guān)損耗所致。

輸出電壓調(diào)節(jié)

輸出電壓的負載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)特性在環(huán)境溫度為25°C時進行了測量。負載調(diào)節(jié)反映了負載變化時輸出電壓的穩(wěn)定性，線路調(diào)節(jié)則體現(xiàn)了輸入電壓變化對輸出電壓的影響。

負載瞬態(tài)響應(yīng)

當負載電流從25%到75%的最大額定負載變化時，評估模塊的輸出電壓會出現(xiàn)一定的波動，包括紋波和噪聲。

環(huán)路特性

通過測量不同輸入電壓下的增益和相位曲線，可了解評估模塊的環(huán)路響應(yīng)特性。

輸出和輸入電壓紋波

在輸入電壓為12V、輸出電流為額定滿載3A的情況下，測量了輸出和輸入電壓的紋波情況。

上電和下電過程

上電時，當輸入電壓達到內(nèi)部設(shè)置的UVLO閾值電壓4.49V時，輸出電壓開始以內(nèi)部設(shè)置的軟啟動速率線性上升至3.3V，當輸出達到預設(shè)最終值的97%時，PWRGD信號置高。下電時，當輸入電壓降至停止電壓閾值3.69V時，調(diào)節(jié)器關(guān)閉，輸出電壓開始向0V衰減，PWRGD信號在輸出電壓超出調(diào)節(jié)范圍時置低。

五、電路板布局

評估模塊的電路板布局采用典型的用戶應(yīng)用方式。頂層包含(VIN)、(OUT)和(PHASE)的主要電源走線，以及TPS54356其余引腳的連接和大面積的接地區(qū)域。底層包含接地和(V_{OUT})銅區(qū)以及一些信號布線。頂層和底層的接地走線通過多個過孔連接，其中10個過孔直接位于TPS54356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，補償組件也保持與IC的近距離，補償電路連接到調(diào)節(jié)點的輸出電壓，緊鄰高頻旁路輸出電容。

六、總結(jié)

TPS54356EVM - 058評估模塊為電子工程師提供了一個全面的平臺，用于評估TPS54356直流 - 直流轉(zhuǎn)換器的性能。通過對輸出電壓、開關(guān)頻率、UVLO等參數(shù)的靈活修改，以及對各項性能指標的測試，工程師可以深入了解該器件的特性，為實際應(yīng)用中的電源設(shè)計提供有力的參考。你在使用類似評估模塊時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。