TPS54350 降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊用戶指南解讀

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能和應(yīng)用至關(guān)重要。今天我們來(lái)深入了解一下德州儀器（Texas Instruments）的 TPS54350 降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊（TPS54350EVM - 235），探討它的特點(diǎn)、性能以及使用方法。

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一、引言

1.1 背景

TPS54350 是一款 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，它能從標(biāo)稱 12V（6V 至 18V）的輸入電壓源提供高達(dá) 3A 的輸出電流。該評(píng)估模塊旨在展示使用 TPS54350 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí)可實(shí)現(xiàn)的小 PCB 面積，但并不反映該器件在特定設(shè)計(jì)中所能達(dá)到的高效率。其開(kāi)關(guān)頻率標(biāo)稱設(shè)置為 500kHz，允許使用相對(duì)小尺寸的 10mH 輸出電感器。

TPS54350 內(nèi)部集成了高端 MOSFET 以及用于外部同步 FET 的柵極驅(qū)動(dòng)電路。MOSFET 低的漏源導(dǎo)通電阻使 TPS54350 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，允許調(diào)節(jié)輸出電壓和定制環(huán)路響應(yīng)。此外，它還具備可編程欠壓鎖定、雙向同步、可調(diào)開(kāi)關(guān)頻率、使能和電源良好功能等特性。

1.2 性能規(guī)格總結(jié)

1.3 修改

該評(píng)估模塊為了展示小尺寸設(shè)計(jì)，省略了一些允許進(jìn)行大量修改的功能，但仍有部分參數(shù)可以調(diào)整。

• 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)：通過(guò)改變 R2 的值可以在 0.9V 至 5V 的范圍內(nèi)改變輸出電壓。特定輸出電壓下 R2 的值可以使用公式 (R{2}=1 k Omega × frac{0.891 V}{V{O}-0.891 V}) 計(jì)算。	輸出電壓 (V)	R2 值 (Ω)
  1.2	2.87k
  1.5	1.47k
  1.8	976
  2.5	549
  3.3	374
  5.0	221

最小輸出電壓受器件最小可控導(dǎo)通時(shí)間（125ns）限制，可使用公式 (V{O(min )}=125 nsec × f{S} × V_{I(max )}) 近似計(jì)算。

• 開(kāi)關(guān)頻率：通過(guò)改變 R4 的值，開(kāi)關(guān)頻率可以在 250kHz 至 700kHz 之間調(diào)整。也可以通過(guò)將 RT 引腳短路到 AGND 設(shè)置為 250kHz，或者將 RT 引腳浮空設(shè)置為 500kHz。降低開(kāi)關(guān)頻率會(huì)增加輸出紋波，除非增加 L1 的值。
• 輸入濾波器：可以在 C1 處添加板載電解輸入電容器。
• UVLO 編程：TPS54350 內(nèi)部有從 VIN 到 AGND 的分壓器，啟動(dòng)和停止閾值分別為 4.4V 和 3.7V（VIN）、1.18V 和 1.09V（UVLO）?？梢允褂霉?(R 6=frac{V{I( start )} × R 7}{U V L O( start )}-R 7) 和 (R 6=frac{V{I( stop )} × R 7}{U V L O( stop )}-R 7) 選擇 R6 和 R7 來(lái)設(shè)置不同的閾值。
• 同步：SYNC 引腳的功能取決于 RT 引腳的配置。如果 RT 引腳開(kāi)路或連接到 AGND，SYNC 引腳作為輸出；如果 RT 引腳通過(guò)電阻連接到 AGND，SYNC 引腳作為輸入。
• 電源良好：內(nèi)部電路監(jiān)控 VSENSE 輸入電壓，當(dāng)該電壓在參考電壓的保護(hù)帶內(nèi)且無(wú)其他故障信號(hào)時(shí)，PWRGD 引腳呈現(xiàn)高阻抗；低電平表示故障。評(píng)估模塊提供了一個(gè) 10kΩ 的外部上拉電阻（R8）、測(cè)試點(diǎn) TP1 和 TP2 用于監(jiān)測(cè)電源良好信號(hào)。
• 同步低端 FET：評(píng)估模塊配備了外部低端 FET 作為同步降壓調(diào)節(jié)器。如果需要，也可以使用外部續(xù)流二極管代替 FET。在這種模式下，電感器的最小值可以使用公式 (L(min )=frac{V{O}left(1-frac{V{O}}{V{I(max )}}right)}{f{s} × 0.6}) 計(jì)算。
• 可選輸出濾波：評(píng)估模塊上有可選的焊盤用于添加額外的輸出濾波電容器。

二、測(cè)試設(shè)置和結(jié)果

2.1 輸入/輸出連接

TPS54350EVM - 235 有兩個(gè)輸入/輸出連接器：VI（J1）和 VO（J3）。應(yīng)使用一對(duì) 20AWG 電線將能夠提供 5A 電流的電源連接到 J1，將負(fù)載通過(guò)一對(duì) 20AWG 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(zhǎng)度以減少電線中的損耗。測(cè)試點(diǎn) TP9 可方便連接示波器電壓探頭以監(jiān)測(cè)輸出電壓。當(dāng)使用外部電源作為 VI 源時(shí)，根據(jù)電源的輸出阻抗和連接線的長(zhǎng)度，可能需要額外的大容量電容器。

2.2 效率

TPS54350EVM - 235 的效率在負(fù)載電流約為 1A 且 (V_{1}) 為 6V 時(shí)達(dá)到峰值，然后隨著負(fù)載電流接近滿載而降低。對(duì)于較高的輸入電壓，靜態(tài)損耗更大，效率在滿載條件下達(dá)到峰值。需要注意的是，該設(shè)計(jì)針對(duì)小尺寸和靈活性進(jìn)行了優(yōu)化，并不反映使用 TPS54350 在特定應(yīng)用中可能實(shí)現(xiàn)的高效率。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。在 500kHz 時(shí)，由于 MOSFET 的柵極和開(kāi)關(guān)損耗，效率略低于較低開(kāi)關(guān)頻率時(shí)。

2.3 功率耗散

PWP 封裝的低結(jié)殼熱阻以及良好的電路板布局，使 TPS54350EVM - 235 評(píng)估模塊能夠在輸出額定滿載電流的同時(shí)保持安全的結(jié)溫。在 12V 輸入源和接近 4.2A 電流限制的負(fù)載下，結(jié)溫約為 47°C。圖 2 - 3 顯示了在 25°C 時(shí)不同輸入電壓（6V、12V 和 18V）下的總電路損耗。

2.4 輸出電壓調(diào)節(jié)

圖 2 - 4 顯示了 TPS54350EVM - 235 的輸出電壓負(fù)載調(diào)節(jié)情況，圖 2 - 5 顯示了輸出電壓線性調(diào)節(jié)情況。測(cè)量是在環(huán)境溫度為 25°C 下進(jìn)行的。

2.5 負(fù)載瞬態(tài)

圖 2 - 6 顯示了 TPS54350EVM - 235 對(duì)負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)，電流階躍從最大額定負(fù)載的 25% 到 75%，包括輸出上的紋波和噪聲在內(nèi)的總峰 - 峰電壓變化如圖所示。

2.6 環(huán)路特性

圖 2 - 7 和圖 2 - 8 分別顯示了 TPS54350EVM - 235 在最小和最大工作電壓下的環(huán)路響應(yīng)特性，包括增益和相位圖。

2.7 輸出電壓紋波

圖 2 - 9 顯示了 TPS54350EVM - 235 的輸出電壓紋波，輸入電壓為 3.3V，輸出電流為額定滿載 3A，電壓直接在輸出電容器兩端測(cè)量。

2.8 輸入電壓紋波

圖 2 - 10 顯示了 TPS54350EVM - 235 的輸入電壓紋波，輸入電壓為 3.3V，每個(gè)器件的輸出電流為額定滿載 3A。

2.9 柵極驅(qū)動(dòng)

TPS54350 為同步低端 FET 提供柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，圖 2 - 11 顯示了該柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)及其與 PHASE 信號(hào)的關(guān)系。

2.10 上電和下電

圖 2 - 12 顯示了 TPS54350EVM - 235 的上電電壓波形，通道 1 顯示標(biāo)稱 12V 輸入電壓，通道 2 顯示 3.3V 輸出電壓上升，通道 3 顯示 PWRGD 信號(hào)。圖 2 - 13 顯示了相應(yīng)的下電波形，通道分配與上電波形相同。

三、電路板布局

3.1 布局

TPS54350EVM - 235 的電路板布局如圖 3 - 1 至圖 3 - 4 所示。頂層布局采用了典型的用戶應(yīng)用方式，針對(duì)小尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。頂層和底層為 1.5oz 銅。

頂層包含 VI、VO 和 Vphase 的主要電源走線，以及 TPS54350 其余引腳的連接和大面積的接地。底層由接地平面、Vphase 區(qū)域和 Vsense 走線組成，還設(shè)有用于放置緩沖組件（R10 和 C11）和可選續(xù)流二極管（D1）的焊盤。頂層和底層的接地走線通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連接，包括 TPS54350 器件正下方的 8 個(gè)過(guò)孔，以提供從 PowerPAD 焊盤到接地的熱路徑。

輸入去耦電容器（C9）、偏置去耦電容器（C4）和自舉電容器（C3）都盡可能靠近 IC 放置。此外，補(bǔ)償組件也靠近 IC，補(bǔ)償電路在調(diào)節(jié)點(diǎn)（正輸出連接）連接到輸出電壓。

四、原理圖和物料清單

4.1 物料清單