TPS54610/810/910評(píng)估模塊：設(shè)計(jì)與性能全解析

在電子工程師的日常工作中，電源管理模塊的設(shè)計(jì)與評(píng)估是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的TPS54610/810/910評(píng)估模塊（EVM），看看它在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)如何。

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一、模塊背景與特性

1.1 背景概述

這些評(píng)估模塊旨在展示使用TPS54x10系列調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí)可實(shí)現(xiàn)的小PCB面積。其開關(guān)頻率設(shè)定為標(biāo)稱700kHz，允許使用小尺寸的0.65μH輸出電感器。此外，TPS54x10的MOSFET集成在封裝內(nèi)部，無需外部MOSFET及其相關(guān)驅(qū)動(dòng)器，低導(dǎo)通電阻的MOSFET提供了高效率，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)輸出電壓和特定應(yīng)用的環(huán)路響應(yīng)。

1.2 性能規(guī)格總結(jié)

不同型號(hào)的評(píng)估模塊在性能規(guī)格上也有所不同，以下是各型號(hào)的主要性能規(guī)格總結(jié)：

• TPS54610EVM - 213：輸入電壓范圍3 - 6V，輸出電壓設(shè)定點(diǎn)0.9 - 1.8V（VIN大于3.8V時(shí)為3.3V），最大輸出電流6A，在5V輸入、2.5A負(fù)載時(shí)最大效率可達(dá)89.7%。
• TPS54810EVM - 213：輸入電壓范圍4 - 6V，輸出電壓設(shè)定點(diǎn)0.9 - 1.8V（可至3.3V），最大輸出電流8A，在5V輸入、2A負(fù)載時(shí)最大效率為89.4%。
• TPS54910EVM - 213：輸入電壓范圍3 - 4V，輸出電壓設(shè)定點(diǎn)0.9 - 1.8V（可至2.5V），最大輸出電流9A，在3.3V輸入、2A負(fù)載時(shí)最大效率高達(dá)92.4%。

1.3 模塊修改

雖然SLVP213設(shè)計(jì)旨在展示TPS54x10的小尺寸特性，但仍有一些參數(shù)可以進(jìn)行修改。

• 輸出電壓調(diào)整：通過改變R4的值，可以在0.9V - 3.3V（TPS54910為2.5V）范圍內(nèi)改變輸出電壓。計(jì)算公式為[R 4=10 k Omega × frac{0.891 V}{V_{O}-0.891 V}]，常見輸出電壓對(duì)應(yīng)的R4值如下表所示：	Output Voltage (V)	R4 Value (k Ω )
  0.9	1000
  1.2	28.7
  1.5	14.7
  1.8	9.76
  2.5	5.49
  3.3	3.74

• 開關(guān)頻率調(diào)整：通過改變R5的值，可以將開關(guān)頻率調(diào)整到280kHz - 700kHz之間。需要注意的是，降低開關(guān)頻率會(huì)增加輸出紋波，除非同時(shí)增加L1的值。
• 慢啟動(dòng)時(shí)間調(diào)整：修改C6的值可以改變SLVP213的慢啟動(dòng)時(shí)間，計(jì)算公式為[R 6=frac{T_{SS} × 5 mu A}{0.891 V}]，當(dāng)C6開路時(shí)，慢啟動(dòng)時(shí)間通常為3.6ms，且無法小于該值。

二、測試設(shè)置與結(jié)果

2.1 輸入/輸出連接

SLVP213有四個(gè)輸入/輸出連接點(diǎn)：輸入、輸入返回、輸出和輸出返回。應(yīng)使用能夠提供10A電流的電源通過一對(duì)20AWG電線連接到J2，負(fù)載通過一對(duì)16AWG電線連接到J1。為減少電線損耗，應(yīng)盡量縮短電線長度。測試點(diǎn)TP1可方便連接示波器電壓探頭以監(jiān)測輸出電壓。

2.2 效率

SLVP213的效率在約2A的負(fù)載電流時(shí)達(dá)到峰值，隨后隨著負(fù)載電流增加至滿載而降低。在環(huán)境溫度為25°C時(shí)，5V（TPS54610、TPS54810）和3.3V（TPS54910）輸入下的效率如圖所示。由于MOSFET的漏源電阻隨溫度變化，環(huán)境溫度升高時(shí)效率會(huì)降低。此外，由于MOSFET的柵極和開關(guān)損耗，700kHz的開關(guān)頻率下效率略低于較低開關(guān)頻率。

2.3 功率耗散

PWP封裝的低結(jié)殼熱阻以及精心設(shè)計(jì)的電路板布局，使得SLVP213 EVM能夠在保持安全結(jié)溫的情況下輸出全額定負(fù)載電流。例如，對(duì)于TPS54610，在5V輸入源和6A負(fù)載下，結(jié)溫約為60°C，殼溫約為55°C。25°C時(shí)的總電路板損耗如圖所示，TPS54910由于MOSFET的低導(dǎo)通電阻，在給定輸出電流下耗散的功率更少。

2.4 輸出電壓調(diào)節(jié)

輸出電壓的負(fù)載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)情況分別如圖所示，測量是在環(huán)境溫度為25°C時(shí)進(jìn)行的。

2.5 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

SLVP213對(duì)負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)如圖所示，電流階躍為最大額定負(fù)載的25% - 75%，輸出的總峰 - 峰電壓變化包括紋波和噪聲。

2.6 環(huán)路特性

SLVP213的環(huán)路響應(yīng)特性如圖所示，展示了每個(gè)器件在最小和最大工作電壓下的增益和相位圖。

2.7 輸出電壓紋波

各器件類型的輸出電壓紋波如圖所示，輸入電壓對(duì)于TPS54610和TPS54910為3.3V，對(duì)于TPS54810為5V，輸出電流為額定滿載的50%。

2.8 輸入電壓紋波

輸入電壓紋波情況如圖所示，輸入電壓和輸出電流條件與輸出電壓紋波測試相同。

2.9 啟動(dòng)特性

SLVP213的啟動(dòng)電壓波形如圖所示，輸入電壓上升到啟動(dòng)電壓閾值（TPS54610為2.9V，TPS54810為3.8V）以上后，約有9ms的延遲，輸出電壓才開始上升到最終的1.8V值。輸出電壓跟蹤內(nèi)部和外部慢啟動(dòng)電壓中的較大值，導(dǎo)致斜坡率發(fā)生變化。

三、電路板布局

SLVP213的電路板布局采用了類似典型應(yīng)用中的層疊結(jié)構(gòu)。頂層和底層為1.5oz銅，兩個(gè)內(nèi)層為0.5oz銅。

• 頂層：包含(V_{IN})、(OUT)和(Phase)的主要功率走線，以及TPS54x10其余引腳的連接和大面積接地平面。
• 內(nèi)層：兩個(gè)內(nèi)層相同，均為專用接地平面。
• 底層：包含補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路以及額外的(VIN)、(VOUT)和接地走線。頂層和底層的接地走線通過45個(gè)過孔連接到內(nèi)部接地平面，其中12個(gè)過孔直接位于TPS54x10器件下方，為PowerPAD?焊盤提供熱路徑到地。

輸入去耦電容（C4和C8）、偏置去耦電容（C9）和自舉電容（C6）都盡可能靠近IC放置。補(bǔ)償組件也靠近IC位于PCB背面，補(bǔ)償電路在調(diào)節(jié)點(diǎn)連接到輸出電壓，該調(diào)節(jié)點(diǎn)是連接到輸出連接器（J2）的寬走線。

四、原理圖與物料清單

4.1 原理圖

SLVP213的原理圖如圖所示，模擬和功率接地連接到IC封裝下方的PowerPAD。

4.2 物料清單

通過對(duì)TPS54610/810/910評(píng)估模塊的全面分析，我們可以看到它在電源管理方面具有出色的性能和一定的可調(diào)節(jié)性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電子工程師可以根據(jù)具體需求合理選擇和調(diào)整模塊參數(shù)，以滿足不同應(yīng)用場景的要求。你在使用類似電源管理模塊時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。