TPS54973EVM - 017評估模塊：小尺寸大能量的電源解決方案

作為電子工程師，我們在設(shè)計電源模塊時，常常追求高集成度、高效率以及小尺寸的解決方案。今天，就來和大家分享一下德州儀器（TI）的TPS54973EVM - 017評估模塊，看看它是如何滿足這些需求的。

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一、模塊概述

TPS54973EVM - 017評估模塊采用了TPS54973同步降壓調(diào)節(jié)器，具備啟動時禁用灌電流（DSDS）功能。它能在標(biāo)稱3.3V輸入下，提供0.9V至2.5V的輸出電壓，輸入電壓范圍為3.0V至4.0V，輸出電流范圍為 - 9A至9A。該模塊旨在展示使用TPS54973調(diào)節(jié)器設(shè)計時可實現(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0.6μH輸出電感器。

二、性能規(guī)格

1. 關(guān)鍵參數(shù)

在輸入電壓為3.3V、輸出電壓為1.8V（環(huán)境溫度25°C）的條件下，該模塊的性能表現(xiàn)出色。例如，線路調(diào)節(jié)率在(I{O}=4.5A)、(V{I}=3V)至4V時為±0.1%；負(fù)載調(diào)節(jié)率在(V{I}=3.3V)、(I{O}=0)至9A時為±0.3%。負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)方面，當(dāng)(I{O})從2.25A變化到6.75A時，電壓變化為 - 50mVPK，恢復(fù)時間為160μs；當(dāng)(I{O})從6.75A變化到2.25A時，電壓變化為50mVPK，恢復(fù)時間同樣為160μs。

2. 效率與紋波

效率方面，在(V{I}=3.3V)、(V{O}=1.8V)、(I_{O}=1.5A)時，最大效率可達(dá)92%。不過，效率會受環(huán)境溫度和開關(guān)頻率影響，較高的環(huán)境溫度會因MOSFET漏源電阻的溫度變化而降低效率，700kHz的開關(guān)頻率由于MOSFET的柵極和開關(guān)損耗，效率略低于較低開關(guān)頻率。輸入紋波電壓在80 - 200mVPP之間，輸出紋波電壓在6 - 10mVpp之間。

三、模塊的可修改性

1. 輸出電壓調(diào)整

通過改變(R{2})的值，可將輸出電壓設(shè)置在0.9V至2.5V的范圍內(nèi)。對于特定輸出電壓，可使用相關(guān)公式計算(R{2})的值。例如，當(dāng)輸出電壓為0.9V時，(R{2})為1000kΩ；輸出電壓為1.2V時，(R{2})為28.7kΩ等。

2. 開關(guān)頻率調(diào)整

開關(guān)頻率可通過改變(R_{4})的值在280kHz至700kHz之間進(jìn)行調(diào)整。但需注意，降低開關(guān)頻率會增加輸出紋波，除非增加(L1)的值。

3. 輸出濾波器配置

模塊支持通過PCB背面的焊盤進(jìn)行替代輸出濾波器配置。C15、C16和C17位置可安裝多達(dá)三個電解型表面貼裝電容，替代陶瓷電容；L2位置可安裝替代電感器。由于輸出濾波器的變化會影響整體環(huán)路響應(yīng)，用戶可能需要調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)（R1、R3、R5、C6、C7和C8）的值。

4. 預(yù)充電考慮

TPS54973器件主要用于需要輸出預(yù)充電條件的應(yīng)用，如DSP和微處理器的電源。模塊提供四個串聯(lián)二極管（D1 - D4），允許用戶從EVM輸入電壓或外部源對輸出進(jìn)行預(yù)充電。但要注意，輸出電壓預(yù)充電不能高于預(yù)設(shè)輸出電壓，否則可能導(dǎo)致器件無法啟動或損壞。

5. 輸入電容

可在C1位置添加板載電解輸入電容。

四、測試設(shè)置與結(jié)果

1. 輸入/輸出連接

該模塊有三個輸入/輸出連接器：VIN J2、VOUT J1和PRECHG_IN J4。連接時，需使用20AWG電線，盡量減少線長以降低損耗。測試點(diǎn)TP1方便連接示波器電壓探頭監(jiān)測輸出電壓。使用外部電源作為VIN時，可能需要額外的大容量電容。

2. 效率測試

效率在負(fù)載電流約1A至2A時達(dá)到峰值，隨后隨著負(fù)載電流接近滿載而降低。環(huán)境溫度升高會降低效率。

3. 功率耗散

PWP封裝的低結(jié)殼熱阻和良好的電路板布局，使模塊在輸出額定滿載電流時能保持安全的結(jié)溫。在3.3V輸入源和9A負(fù)載下，結(jié)溫約為60°C，殼溫約為55°C。

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)表現(xiàn)良好，具體數(shù)據(jù)可參考相關(guān)測試圖表。

5. 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

模塊對負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)迅速，能在短時間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定。

6. 環(huán)路特性

環(huán)路響應(yīng)特性在不同輸入電壓下有所不同，可通過相關(guān)圖表查看增益和相位曲線。

7. 輸出和輸入電壓紋波

輸出電壓紋波和輸入電壓紋波在合理范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

8. 啟動特性

啟動波形展示了不同預(yù)充電條件下的啟動過程，預(yù)充電電壓需嚴(yán)格控制，確保不超過輸出設(shè)定點(diǎn)。

五、電路板布局

1. 布局特點(diǎn)

電路板的頂層布局符合用戶應(yīng)用的典型方式，包含(V{I})、(V{O})和(Phase)的主電源走線，以及TPS54973其余引腳的連接和大面積接地。底層設(shè)計用于容納可選的替代輸出濾波電容，包含接地和(V_{O})銅區(qū)、一些信號走線和兩個可選D3或D4尺寸電解電容的焊盤。

2. 元件位置

輸入去耦電容（C9和C10）、偏置去耦電容（C4）和自舉電容（C3）都盡可能靠近IC。補(bǔ)償組件也靠近IC，補(bǔ)償電路連接到調(diào)節(jié)點(diǎn)的輸出電壓，與高頻旁路輸出電容相鄰。

六、原理圖與物料清單

1. 原理圖

模塊的原理圖清晰展示了電路結(jié)構(gòu)，為工程師進(jìn)行電路分析和優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

2. 物料清單

詳細(xì)列出了模塊所使用的元件，包括電容、電阻、電感、二極管、連接器等，方便工程師進(jìn)行元件選型和采購。

總的來說，TPS54973EVM - 017評估模塊以其小尺寸、高性能和可修改性，為電子工程師提供了一個優(yōu)秀的電源設(shè)計解決方案。在實際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)具體需求對模塊進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以滿足不同的設(shè)計要求。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。