德州儀器TPS54x80EVM - 228評估模塊深度解析

一、引言

在電子設計領域，電源管理模塊的性能和靈活性至關重要。德州儀器（TI）的TPS54x80EVM - 228評估模塊，包括TPS54680EVM - 228（6 - Amp）和TPS54880EVM - 228（8 - Amp），為工程師們提供了一個強大的工具，用于評估和開發(fā)具有精確電源排序功能的應用。本文將深入解析該評估模塊的各個方面，包括背景、性能規(guī)格、測試設置與結果等，希望能為電子工程師們在電源設計方面提供有價值的參考。

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二、背景知識

2.1 SWIFT系列轉換器

TPS54680和TPS54880屬于SWIFT系列跟蹤型DC/DC轉換器，旨在為需要多個電壓的負載提供精確的電源排序。這類應用常見于微處理器、DSP和FPGA的核心與I/O電源供應。該系列轉換器具備直接跟蹤、比例跟蹤以及與第二電源進行電壓排序的能力。

2.2 評估模塊特點

• 雙輸出設計：TPS54680EVM - 228采用TPS54680跟蹤型DC/DC轉換器與TPS54610 DC/DC轉換器配對，每通道提供6A輸出；TPS54880EVM - 228則將TPS54880與TPS54810配對，每通道提供8A輸出。
• 電壓輸出：在標稱5V輸入下，評估模塊為I/O提供3.3V輸出電壓，為核心提供1.8V輸出電壓。
• TRACKIN引腳功能：通過TRACKIN引腳實現(xiàn)跟蹤和排序功能。內(nèi)部多路復用器電路將該引腳電壓與內(nèi)部參考電壓進行比較，取較小值作為輸出電壓調(diào)節(jié)的參考。
• 同步功能：兩個通道可以通過少量廉價外部組件實現(xiàn)異相同步，有助于減少不必要的拍頻和輸入電容中的紋波電流。

2.3 性能優(yōu)勢

• 高頻設計：開關頻率標稱設置為700kHz，允許使用小尺寸的0.65μH輸出電感器。
• 集成MOSFET：SWIFT調(diào)節(jié)器的MOSFET集成在封裝內(nèi)，無需外部MOSFET及其驅動器，降低了成本和電路板面積。
• 高效與熱保護：MOSFET的低漏源導通電阻使調(diào)節(jié)器具有高效率，并有助于在高輸出電流時保持低結溫。此外，SWIFT集成FET DC/DC轉換器提供了真正的全電路熱保護。
• 可調(diào)輸出：TPS54x80調(diào)節(jié)器的補償組件位于IC外部，允許調(diào)節(jié)輸出電壓和定制環(huán)路響應。

三、性能規(guī)格總結

3.1 輸入電壓和輸出電流范圍

3.2 性能規(guī)格詳情

具體性能規(guī)格可參考文檔中的表1 - 2和表1 - 3，這里主要關注核心電壓輸出。這些規(guī)格是在環(huán)境溫度為25°C時給出的，除非另有說明。

四、跟蹤調(diào)節(jié)器與電源排序

4.1 電源排序技術

為避免處理器和系統(tǒng)IC出現(xiàn)潛在問題，設計師可采用三種通用的上電排序技術：順序、比例或同時。

• 順序上電：依次為兩個電源軌上電，通常第二個電源軌在第一個電源軌達到穩(wěn)定后開始上升，或者在第一個電源軌啟動后經(jīng)過設定的延遲開始上升。
• 比例上電：兩個電源軌同時上電并同時達到穩(wěn)定，需要較高的壓擺率來實現(xiàn)最終電壓較高的電源軌，可能會在達到穩(wěn)定前產(chǎn)生較大的電壓差。
• 同時上電：電壓軌一起上升且速率相同，較高的I/O電壓軌在較低的核心電壓軌達到最終值后繼續(xù)上升，可消除瞬時電壓差并最小化應力的大小和持續(xù)時間。

4.2 評估模塊的實現(xiàn)

TPS54x80EVM - 228評估模塊通過適當選擇電阻分壓器的比例來實現(xiàn)不同的電源排序技術。相關公式如下：

• 核心電壓跟蹤I/O電壓（同時上電）：(frac{R3}{R4}=frac{R5}{R6})
• 核心與I/O電壓的比例關系：(frac{R3}{R4}=frac{R1}{R2})
• 核心電壓在上電時先上升，斷電時后下降：(frac{R3}{R4}

五、測試設置與結果

5.1 輸入/輸出連接

評估模塊具有5V輸入、5V輸入返回、3.3V輸出、3.3V輸出返回、1.8V輸出和1.8V輸出返回等連接點。測試時，應使用能夠提供15A電流的電源通過16AWG電線連接到J1，3.3V和1.8V負載分別通過16AWG電線連接到J2和J3。同時，需注意最小化電線長度以減少損耗。

5.2 電源排序測試

通過選擇不同的電阻分壓器比例，可以設置核心電壓在上下電過程中的斜率與I/O電壓的關系。測試結果表明，通過合理設置電阻和跳線，可以實現(xiàn)不同的電源排序方式，如跟蹤上電、比例上電等。

5.3 效率

評估模塊的效率取決于輸出電壓和輸入電壓。在輸出電流低于3A時，3.3V輸入電壓下的效率較高，因為開關損耗較低；在輸出電流高于3A時，5V輸入電壓下的效率更好，因為較高的柵極電壓驅動的集成FET的漏源電阻較低。

5.4 功率耗散

PWP封裝的低結殼熱阻和良好的電路板布局，使得評估模塊能夠在保持安全結溫的情況下提供全額定負載電流。測試數(shù)據(jù)顯示，在不同負載電流下，模塊的溫度上升和總功率耗散情況不同。

5.5 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)性能在文檔中的圖2 - 10和圖2 - 11中展示，測量是在環(huán)境溫度為25°C時進行的。

5.6 負載瞬態(tài)響應

TPS54x80EVM - 228對負載瞬態(tài)的響應在圖2 - 12和圖2 - 13中顯示，電流階躍為1.5A至4.5A，壓擺率為5A/μs。

5.7 環(huán)路特性

評估模塊的環(huán)路響應特性在圖2 - 14和圖2 - 15中展示，增益和相位圖分別在3.3V（TPS54680）和5V（TPS54680和TPS54880）下測量。

5.8 輸出和輸入電壓紋波及主開關波形

輸出和輸入電壓紋波以及主開關波形在圖2 - 16和圖2 - 17中展示，測量條件包括不同的輸入電壓、輸出電壓和負載電流。

六、電路板布局

6.1 布局特點

TPS54x80EVM - 228的電路板布局采用典型的用戶應用方式。頂層和底層為1.5oz銅，兩個內(nèi)層為0.5oz銅。頂層包含主要的電源走線、引腳連接和大面積的接地區(qū)域，對噪聲敏感的部件有獨立的安靜接地區(qū)域。第二層為專用接地平面，第三層包含大面積的接地、(V{1})和(v{0})區(qū)域，底層除信號走線外均為接地。

6.2 元件布局

輸入陶瓷電容器、偏置去耦電容器和自舉電容器都盡可能靠近IC放置，補償組件也保持與IC的近距離。

七、原理圖和物料清單

7.1 原理圖

評估模塊的原理圖如圖4 - 1所示，模擬和電源接地在IC封裝下的PowerPAD處連接。

7.2 物料清單

詳細的物料清單見表4 - 1，包括電容器、電感器、電阻器、二極管、開關等元件的規(guī)格和數(shù)量。

八、異相同步

8.1 拍頻問題

當核心和I/O電壓由兩個運行頻率略有不同的DC/DC調(diào)節(jié)器提供時，輸入電壓紋波中會包含低頻諧波，即拍頻。

8.2 同步解決方案

通過將兩個開關調(diào)節(jié)器異相同步，可以避免拍頻效應，并由于紋波抵消效應節(jié)省一些輸入電容器。評估模塊中實現(xiàn)了可選的同步電路，包括C1、R1、R4、R5、D1、Q1等元件。同步后，輸入電壓紋波從非同步時的150mV峰 - 峰值降低到100mV峰 - 峰值。

九、總結

德州儀器的TPS54x80EVM - 228評估模塊為電子工程師提供了一個全面的平臺，用于評估和開發(fā)具有精確電源排序功能的應用。其高性能、靈活性和易于使用的特點，使其成為電源設計領域的有力工具。在實際應用中，工程師們可以根據(jù)具體需求對輸出電壓、開關頻率等參數(shù)進行調(diào)整，以滿足不同的設計要求。同時，通過合理的電路板布局和元件選擇，可以進一步優(yōu)化模塊的性能。你在使用類似評估模塊時，是否也遇到過一些有趣的問題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。