TPS54821 降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊使用指南詳解

在電子設(shè)計領(lǐng)域，降壓轉(zhuǎn)換器是一種常見且關(guān)鍵的元件，它能將較高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓，以滿足不同電路的需求。德州儀器（Texas Instruments）的 TPS54821 降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊（TPS54821EVM - 049）就是這樣一款具有重要應(yīng)用價值的產(chǎn)品。本文將圍繞該評估模塊的用戶指南，為大家詳細(xì)介紹其相關(guān)特性、測試設(shè)置、性能結(jié)果以及設(shè)計中的一些要點(diǎn)。

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一、TPS54821 簡介

TPS54821 是一款 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，能夠提供高達(dá) 8A 的輸出電流。它采用了分離輸入電源軌的設(shè)計，為功率級和控制電路分別提供獨(dú)立的輸入電壓。功率級輸入（PVIN）的額定電壓范圍為 1.6V 至 17V，控制輸入（VIN）的額定電壓范圍為 4.5V 至 17V。評估模塊 TPS54821EVM - 049 同時提供這兩個輸入，但在設(shè)計和測試時，通常將 PVIN 連接到 VIN。其額定輸入電壓范圍為 8V 至 17V（VIN 啟動電壓為 6.528V），輸出電流范圍為 0A 至 8A。

該轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率外部設(shè)定為標(biāo)稱 480kHz，內(nèi)部集成了高端和低端 MOSFET 以及柵極驅(qū)動電路。MOSFET 較低的漏源導(dǎo)通電阻使得 TPS54821 能夠?qū)崿F(xiàn)高效率，并有助于在高輸出電流時保持較低的結(jié)溫。補(bǔ)償組件位于集成電路（IC）外部，通過外部分壓器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)。此外，TPS54821 還提供了可調(diào)的軟啟動、跟蹤和欠壓鎖定輸入功能。評估模塊的絕對最大輸入電壓為 20V。

二、性能規(guī)格

2.1 主要性能指標(biāo)

2.2 模塊修改

該評估模塊允許進(jìn)行一些修改，以滿足不同的設(shè)計需求：

• 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)：輸出電壓由 R7 和 R8 組成的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)定，R7 固定為 10kΩ。要改變評估模塊的輸出電壓，需要改變電阻 R8 的值?？墒褂霉?(R8=frac{10kΩ × 0.6V}{V_{OUT}-0.6V}) 計算特定輸出電壓對應(yīng)的 R8 值。常見輸出電壓對應(yīng)的 R8 標(biāo)準(zhǔn)值如下：	輸出電壓（V）	R8 值（kΩ）
  1.8	4.99
  2.5	3.16
  3.3	2.21
  5	1.37

• 軟啟動時間：軟啟動時間可通過改變 C8 的值進(jìn)行調(diào)整，使用公式 (C8(nF)=frac{Tss(ms) × Iss(μA)}{Vref(V)}) 計算所需的 C8 值。評估模塊默認(rèn)使用 (C8 = 0.022μF)，對應(yīng)軟啟動時間為 5.7ms。
• 跟蹤輸入：TPS54821 可以在啟動期間跟蹤外部電壓，J3 連接器用于連接該外部電壓。通過電阻分壓器 R5 和 R6 可實(shí)現(xiàn)比例或同步跟蹤，具體細(xì)節(jié)可參考 TPS54821 的數(shù)據(jù)手冊。
• 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）：欠壓鎖定可通過 R1 和 R2 進(jìn)行外部調(diào)整。評估模塊默認(rèn)使用 (R1 = 35.7kΩ) 和 (R2 = 8.06kΩ)，對應(yīng)啟動電壓為 6.528V，停止電壓為 6.193V?？墒褂霉?(R1=frac{V{START}(frac{V{ENFALLING}}{V{ENFALLING}})-V{STOP}}{I{p}(1 - frac{V{ENFALLING}}{V{ENFALLING}})+I{h}}) 和 (R2=frac{R1 × V{ENFALLING}}{V{STOP}-V{ENFALLING}+R1(I{p}+I_{n})}) 計算不同啟動和停止電壓所需的電阻值。
• 輸入電壓軌：評估模塊設(shè)計為可適應(yīng)功率級和控制邏輯的不同輸入電壓水平。正常運(yùn)行時，通過 JP1 跳線將 PVIN 和 VIN 輸入連接在一起，單個輸入電壓通過 J1 提供。如果需要，可移除 JP1 跳線，分別通過 J1 和 J2 提供兩個輸入電壓。

三、測試設(shè)置與結(jié)果

3.1 輸入/輸出連接

TPS54821EVM - 049 配備了輸入/輸出連接器和測試點(diǎn)。需要使用能夠提供 4A 電流的電源，通過一對 20AWG 電線連接到 J1，同時確保 JP1 跳線處于連接狀態(tài)。負(fù)載應(yīng)通過一對 20AWG 電線連接到 J4，最大負(fù)載電流能力為 8A。為減少電線損耗，應(yīng)盡量縮短電線長度。測試點(diǎn) TP1 用于監(jiān)測 (V_{IN}) 輸入電壓，TP2 作為接地參考；TP9 用于監(jiān)測輸出電壓，TP10 作為接地參考。

3.2 各項(xiàng)測試結(jié)果

• 效率：評估模塊的效率在負(fù)載電流約為 2A 時達(dá)到峰值，隨后隨著負(fù)載電流接近滿載而下降。在環(huán)境溫度為 25°C 時，不同輸入電壓下的效率曲線如圖 2 - 1 和圖 2 - 2 所示。由于內(nèi)部 MOSFET 漏源電阻的溫度變化，在較高環(huán)境溫度下效率可能會降低。
• 輸出電壓負(fù)載調(diào)整率：圖 2 - 3 展示了 TPS54821EVM - 049 在環(huán)境溫度為 25°C 時的負(fù)載調(diào)整率情況。
• 輸出電壓線性調(diào)整率：圖 2 - 4 顯示了該評估模塊的線性調(diào)整率，測試條件為 (I_{OUT}=4A)，輸入電壓在 8V 至 17V 之間變化。
• 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)：圖 2 - 5 展示了 TPS54821EVM - 049 在輸入電壓為 12V 時，負(fù)載電流從 2A 階躍到 6A（最大額定負(fù)載的 25% 至 75%）的瞬態(tài)響應(yīng)，電流階躍斜率為 1A/μs。
• 環(huán)路特性：圖 2 - 6 給出了 (V_{IN}=12V)、負(fù)載電流為 8A 時的環(huán)路響應(yīng)特性，包括增益和相位曲線。
• 輸出電壓紋波：圖 2 - 7 顯示了在輸出電流為額定滿載 8A、(V_{IN}=12V) 時，直接跨接輸出電容測量得到的輸出電壓紋波。
• 輸入電壓紋波：圖 2 - 8 展示了在相同條件下，直接跨接輸入電容測量得到的輸入電壓紋波。
• 上電：圖 2 - 9 和圖 2 - 10 分別展示了 TPS54821EVM - 049 相對于 (V_{IN}) 和使能信號的啟動波形。在圖 2 - 9 中，當(dāng)輸入電壓達(dá)到由 R1 和 R2 電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的 UVLO 閾值時，輸出電壓開始上升；在圖 2 - 10 中，輸入電壓先施加，通過 JP2 跳線將 EN 連接到 GND 抑制輸出，移除跳線釋放 EN 后，當(dāng) EN 電壓達(dá)到使能閾值電壓時，啟動序列開始，輸出電壓上升到外部設(shè)定的 3.3V。
• 預(yù)偏置啟動：TPS54821 設(shè)計為能夠在預(yù)偏置輸出的情況下啟動，圖 2 - 11 展示了輸出電壓預(yù)偏置為 1V 時的啟動波形。
• 打嗝模式電流限制：TPS54821 具有打嗝模式電流限制功能，當(dāng)發(fā)生過流事件時，轉(zhuǎn)換器會關(guān)閉并重新啟動。圖 2 - 12 展示了過流情況下的重啟序列。

四、電路板布局

TPS54821EVM - 049 的電路板布局如圖 3 - 1 至圖 3 - 5 所示。頂層、底層和內(nèi)層均采用 2 - oz 銅。頂層包含 PVIN、VIN、(V{OUT}) 和 VPHASE 的主要功率走線，以及 TPS54821 其余引腳的連接和大面積的接地區(qū)域。內(nèi)層 2 主要為接地層，還有 PVIN、VIN 和 (V{OUT}) 的填充區(qū)域。底層和內(nèi)層 2 僅包含接地平面。頂層接地走線通過多個過孔與底層和內(nèi)層接地平面連接，其中在 TPS54821 器件正下方有五個過孔，為頂層接地平面到底層接地平面提供熱路徑。

輸入去耦電容（C2 和 C4）和自舉電容（C5）都盡可能靠近 IC 放置。電壓設(shè)定點(diǎn)電阻分壓器組件也靠近 IC，分壓器網(wǎng)絡(luò)在調(diào)節(jié)點(diǎn)（J4 輸出連接器處的銅 (V_{OUT}) 走線）與輸出電壓相連。對于 TPS54821，根據(jù)評估模塊與輸入電源的連接情況，可能需要額外的輸入大容量電容。關(guān)鍵的模擬電路，如電壓設(shè)定點(diǎn)分壓器、頻率設(shè)定電阻、軟啟動電容和補(bǔ)償組件，使用與功率接地灌流分開的寬接地走線接地。

五、原理圖與物料清單

5.1 原理圖

圖 4 - 1 為 TPS54821EVM - 049 的原理圖，展示了各個元件的連接關(guān)系。

5.2 物料清單

表 4 - 1 列出了 TPS54821EVM - 049 的物料清單，包括元件的數(shù)量、參考編號、值、描述、尺寸、零件編號和制造商等信息。

六、總結(jié)

通過對 TPS54821 降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊的詳細(xì)介紹，我們了解了其基本特性、性能規(guī)格、測試設(shè)置、電路板布局以及原理圖和物料清單等方面的內(nèi)容。在實(shí)際設(shè)計中，工程師可以根據(jù)具體需求對模塊進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。同時，通過對各項(xiàng)測試結(jié)果的分析，可以更好地了解該模塊在不同條件下的性能表現(xiàn)，為電路設(shè)計提供參考。大家在使用過程中，是否遇到過類似模塊在實(shí)際應(yīng)用中的特殊問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。