深入解析TPS54678EVM - 155評估模塊：從原理到應用
深入解析TPS54678EVM - 155評估模塊：從原理到應用
在電子工程領域，電源管理模塊的性能和穩(wěn)定性至關重要。今天，我們就來深入探討德州儀器（Texas Instruments）的TPS54678EVM - 155 6 - A，SWIFT? 調(diào)節(jié)器評估模塊。
文件下載：TPS54678EVM-155.pdf
一、模塊概述
TPS54678EVM - 155評估模塊主要用于評估TPS54678這款dc/dc轉(zhuǎn)換器。TPS54678能夠從2.95 V至6 V的輸入電壓源提供高達6 A的輸出電流，絕對最大輸入電壓為7 V。該評估模塊展示了使用TPS54678調(diào)節(jié)器設計時實現(xiàn)的小印刷電路板面積優(yōu)勢。其開關頻率外部設定為標稱500 kHz，內(nèi)部集成了高端和低端MOSFET以及柵極驅(qū)動電路，MOSFET的低漏源導通電阻使得模塊能夠?qū)崿F(xiàn)高效率，并在高輸出電流時保持較低的結(jié)溫。補償組件位于集成電路外部，通過外部分壓器可實現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)，同時還提供可調(diào)的軟啟動和欠壓鎖定輸入。
1.1 輸入電壓和輸出電流范圍
| EVM | INPUT VOLTAGE RANGE | OUTPUT CURRENT RANGE |
|---|---|---|
| TPS54678EVM - 155 | V IN = 3 V to 6 V | 0 A to 6 A |
1.2 性能規(guī)格總結(jié)
| 在輸入電壓 (V_{IN}=5V) 、輸出電壓為1.2 V（除非另有說明），環(huán)境溫度為25°C（除非另有注明）的條件下，該評估模塊的性能規(guī)格如下： | PARAMETER | TEST CONDITIONS | MIN | TYP | MAX | UNITS | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| INPUT CHARACTERISTICS | |||||||
| Operating voltage range | 3 | 5 | 6 | V | |||
| V IN start voltage | V | ||||||
| V IN stop voltage | V | ||||||
| OUTPUT CHARACTERISTICS | |||||||
| Output voltage, V OUT | Output current = 0 to 6A | 1.2 | V | ||||
| Output load current, I OUT1 | I OUT_min to I OUT_max | 0 | 6 | A | |||
| Output voltage regulation | Line Regulation: Input voltage = 3 V to 6 V | 0.5% | |||||
| Load Regulation: Output current = 0 A to I OUT_max | 0.5% | ||||||
| Transient response | Peak voltage I OUT = 3 A to 6 A and | 60 | mV | ||||
| 6 A to 3 A | Recovery time | 200 | μs | ||||
| Output voltage ripple | V IN = 5 V, I OUT = 6 A | mVpp | |||||
| Output over current | 10 | A | |||||
| SYSTEMS CHARACTERISTICS | |||||||
| Switching frequency | F SW | 500 | kHz | ||||
| Control loop bandwidth | V IN = 3.3 V, I O = 6 A | kHz | |||||
| Phase Margin | V IN = 3.3 V, I O = 6 A | Degrees | |||||
| Input ripple voltage | mVp - p | ||||||
| Soft start time | mSec | ||||||
| Peak efficiency | V IN = V, I OUT = A | % | |||||
| Full load efficiency | V IN = V, I OUT = 6 A | % | |||||
| Operating temperature | T oper | 25 | oC |
二、模塊修改
2.1 輸出電壓設定點
| 通過改變電阻R9的值可以改變評估模塊的輸出電壓。計算公式為： [R 9=R 10 timesleft(frac{V_{OUT }}{0.6 V}-1right)] 其中R10使用10.0 kΩ。以下是一些常見輸出電壓對應的R9和R10值： | R9 Ideal | R9 Actual (E96) | R10 | V OUT Ideal | V OUT Actual |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 10.0E + 3 | 0.60 | 0.60 | |
| 3.33E + 3 | 3.32E + 3 | 10.0E + 3 | 0.80 | 0.80 | |
| 6.67E + 3 | 6.65E + 3 | 10.0E + 3 | 1.00 | 1.00 | |
| 10.00E + 3 | 10.00E + 3 | 10.0E + 3 | 1.20 | 1.20 | |
| 13.33E + 3 | 13.30E + 3 | 10.0E + 3 | 1.40 | 1.40 | |
| 16.67E + 3 | 16.50E + 3 | 10.0E + 3 | 1.60 | 1.59 | |
| 20.00E + 3 | 20.00E + 3 | 10.0E + 3 | 1.80 | 1.80 | |
| 23.33E + 3 | 23.20E + 3 | 10.0E + 3 | 2.00 | 1.99 | |
| 26.67E + 3 | 26.70E + 3 | 10.0E + 3 | 2.20 | 2.20 | |
| 30.00E + 3 | 30.10E + 3 | 10.0E + 3 | 2.40 | 2.41 | |
| 33.33E + 3 | 33.20E + 3 | 10.0E + 3 | 2.60 | 2.59 | |
| 36.67E + 3 | 36.50E + 3 | 10.0E + 3 | 2.80 | 2.79 |
2.2 軟啟動時間
軟啟動時間可通過改變C7的值進行調(diào)整，計算公式為： [Css (nF)=3 × Tss (ms)] 評估模塊上C7默認設置為0.01 μF，對應的軟啟動時間為3.33 ms。
2.3 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）
| 欠壓鎖定（UVLO）可通過外部的R1和R2進行調(diào)整。評估模塊使用 (R 1 = 47.5 k Omega) 和 (R 2 = 35.7 k Omega) 設定啟動電壓為2.88 V，停止電壓為2.57 V。確定UVLO性能的參數(shù)如下： | Parameter | Value |
|---|---|---|
| Enable Pin Current when OFF | 700 nA | |
| Enable Pin Current when ON | 2.8 μA + 700 nA | |
| Enable Pin Turn ON Threshold | 1.3 V | |
| Enable Pin Turn OFF Threshold | 1.18 V |
可使用以下公式計算不同啟動和停止電壓所需的電阻值： [I{R 2 ON}=frac{1.30}{R{2}}] [I{R 1 O N}=I{R 2 O N}-700 n=frac{left(V{O N}-1.30right)}{R{1}}]
三、測試設置與結(jié)果
3.1 輸入/輸出連接
| 評估模塊配備了輸入/輸出連接器和測試點。需要使用能夠提供3 A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，負載的最大電流能力至少為6 A。測試點TP1用于監(jiān)測 (V_{IN}) 輸入電壓，TP2作為接地參考；TP8用于監(jiān)測輸出電壓，TP9作為接地參考。 | Reference Designator | Function |
|---|---|---|
| J1 | Input voltage | |
| J2 | Access to track function | |
| J3 | Output voltage | |
| JP1 | 2 - pin header for enable. Connect EN to ground to disable, open to enable. | |
| JP2 | 2 - pin header allowing pull up of PWRGD to V IN. | |
| TP1 | V IN +VE | |
| TP2 | V IN –VE | |
| TP3 | SS pin | |
| TP4 | Switch node, copper dot | |
| TP5 | Power Good pin | |
| TP6 | AGND reference | |
| TP7 | Bode injection point, input voltage | |
| TP8 | V OUT +VE | |
| TP9 | V OUT –VE | |
| TP10 | Bode injection point, output voltage |
3.2 效率
評估模塊的效率在負載電流約為1 A至2 A時達到峰值，隨后隨著負載電流接近滿載而降低。在較高環(huán)境溫度下，由于內(nèi)部MOSFET的漏源電阻 (DS ON) 隨溫度變化，效率可能會降低。
3.3 輸出電壓調(diào)節(jié)
包括負載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)。負載調(diào)節(jié)展示了輸出電流變化時輸出電壓的穩(wěn)定性，線路調(diào)節(jié)則體現(xiàn)了輸入電壓變化時輸出電壓的穩(wěn)定性。
3.4 負載瞬態(tài)響應
當負載電流在0%至50%最大額定負載之間變化（輸入電壓為3.0 V）時，評估模塊能夠做出響應，總峰 - 峰電壓變化如相關測試圖所示。
3.5 環(huán)路特性
通過增益和相位圖展示了在 (V_{IN}) 電壓為5 V、負載電流為6 A時的環(huán)路響應特性。
3.6 輸出電壓紋波和輸入電壓紋波
分別展示了在不同輸入電壓和滿載（6 A）情況下的輸出電壓紋波和輸入電壓紋波，紋波電壓直接在輸出電容和輸入電容兩端測量。
3.7 啟動和關閉
啟動過程中，輸出電壓會根據(jù)輸入電壓達到UVLO閾值或使能信號達到閾值而上升；關閉過程中，輸出電壓會根據(jù)輸入電壓低于UVLO停止閾值或使能信號接地而下降。
3.8 打嗝模式電流限制
當峰值開關電流超過電流限制閾值時，TPS54678會進入打嗝模式，即設備關閉并重新啟動。當輸出短路到地時，設備會持續(xù)復位，直到故障條件消除。
四、電路板布局
評估模塊的電路板布局采用了典型的用戶應用方式。頂層和底層為2 - oz銅，兩個內(nèi)層為1 - oz銅。頂層包含 (V{IN}) 、 (V{OUT}) 和 (PHASE) 的主要電源走線，以及TPS54678其余引腳的連接和大面積的接地區(qū)域。底層和內(nèi)層僅包含接地平面。頂層接地區(qū)域通過多個過孔與底層和內(nèi)層接地平面連接，包括TPS54678器件正下方的四個過孔，以提供從頂層接地區(qū)域到底層和內(nèi)層接地平面的熱路徑。輸入去耦電容和自舉電容盡可能靠近集成電路放置，電壓設定點電阻分壓器組件也靠近集成電路，電壓分壓器網(wǎng)絡連接到輸出連接器附近的 (V_{OUT}) 銅走線。此外，還包含一個額外的輸入大容量電容C16，以提供更低的源阻抗。
五、原理圖和物料清單
5.1 原理圖
提供了評估模塊的詳細原理圖，可用于深入分析電路原理和信號流向。
5.2 物料清單
| 列出了評估模塊中使用的所有元器件，包括電容、電阻、電感、連接器、集成電路等的詳細信息，方便進行元器件的替換和采購。 | RefDes | Value | Description | Size | Part Number | MFR |
|---|---|---|---|---|---|---|
| C4, C8 | 0.1 μF | Capacitor, ceramic, 50 V, X5R, 10% | 603 | Std | Std | |
| C5 | Open | Capacitor, ceramic | 603 | Std | Std | |
| C6 | 2200 pF | Capacitor, ceramic, 50 V, X7R, 10% | 603 | Std | Std | |
| C7 | 0.01 μF | Capacitor, ceramic, 25 V, X7R, 10% | 603 | Std | Std | |
| C14 | 220 pF | Capacitor, ceramic, 50 V, C0G, 5% | 603 | Std | Std | |
| C15 | 150 pF | Capacitor, ceramic, 50 V, C0G, 5% | 603 | Std | Std | |
| C1 - 3 C9 - 13 | 47 μF | Capacitor, ceramic, 10 V, X5R, ±20% | 1206 | Std | Std | |
| C16 | 220 μF | Capacitor, Electrolytic, SMT, 50 VDC | 0.457 × 0.406 | EEE - FK1H221P | Panasonic | |
| JP1 - 2 - 3 | PEC02SAAN | Header, Male 2 - pin, 100mil spacing | 0.100 in × 2 | PEC02SAAN | Sullins | |
| L1 | 1.2 μH | Inductor, SMD Shielded Power, 11.8 A, 7.4 m Ω | 5.3 × 5.5 mm | XAL5030 - 122ME | Coilcraft | |
| R1 | 14.7 k Ω | Resistor, chip, 1/10W, 1% | 603 | Std | Std | |
| R2 | 12.7 k Ω | Resistor, chip, 1/10W, 1% | 603 | Std | Std | |
| R3 | 26.7 k Ω | Resistor, chip, 1/10W, 1% | 603 | Std | Std | |
| R4 | 82.5 k Ω | Resistor, chip, 1/10W, 1% | 603 | Std | Std | |
| R5 - 6 | Open | Resistor, chip, 1/10W, 1% | 603 | Std | Std | |
| R7 | 100 k Ω | Resistor, chip, 1/10W, 1% | 603 | Std | Std | |
| R8 | 51.1 Ω | Resistor, chip, 1/10W, 1% | 603 | Std | Std | |
| R9, R10 | 20.0 k Ω | Resistor, chip, 1/10W, 1% | 603 | Std | Std | |
| J1 J3 | ED555/2DS | Terminal Block, 2 - pin, 6 - A, 3.5 mm | 0.27 × 0.25 in | ED555/2DS | OST | |
| TP1 TP3 TP5 - 8 TP10 | 5000 | Test Point, Red, Thru Hole Color Keyed | 0.100 × 0.100 in | 5000 | Keystone | |
| TP2 TP9 | 5001 | Test Point, Black, Thru Hole Color Keyed | 0.100 × 0.100 in | 5001 | Keystone | |
| U1 | TPS54678RTE | IC, 3 - V to 6 - V Input, 6 - A Output, 2 MHz, Sync. Step - Down Switcher With Integrated FET | QFN | TPS54678RTE | TI | |
| Label | Label | 1.25 × 0.25 in | THT - 13 - 457 - 10 | Brady |
六、注意事項
使用該評估模塊時，用戶需承擔妥善安全處理設備的全部責任和義務，并對因設備處理或使用產(chǎn)生的所有索賠進行賠償。若評估板不符合用戶指南中的規(guī)格，可在交付日期起30天內(nèi)退還以獲得全額退款。同時，模塊可能受到聯(lián)邦通信委員會（FCC）和加拿大工業(yè)部（IC）規(guī)則的約束，使用時需遵循相關規(guī)定。此外，在日本使用該產(chǎn)品時，需遵守日本電波法的相關要求。
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