5V輸入、1.8V輸出、6A同步降壓轉(zhuǎn)換器用戶指南解讀

在電子電路設(shè)計(jì)中，電源模塊的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。今天我們來詳細(xì)解讀一款5V輸入、1.8V輸出、6A同步降壓轉(zhuǎn)換器——TPS40041EVM - 001評(píng)估模塊。

文件下載：TPS40041EVM-001.pdf

一、模塊概述

TPS40041EVM - 001評(píng)估模塊是一款同步降壓轉(zhuǎn)換器，它能從5V輸入總線提供高達(dá)6A的1.8V固定輸出，或者從3.3V輸入提供3A的輸出。該模塊的一大亮點(diǎn)是可以從單電源啟動(dòng)，無需額外的偏置電壓。它采用了TPS40041引腳數(shù)量減少的低壓同步降壓控制器。

1. 功能描述

該模塊設(shè)計(jì)使用4.5V - 5.5V的5V穩(wěn)壓總線或3.0V - 3.6V的3.3V穩(wěn)壓總線，以產(chǎn)生最大6A負(fù)載電流的1.8V穩(wěn)壓輸出。它不僅能展示TPS40041在典型穩(wěn)壓總線到低壓應(yīng)用中的性能，還提供了多個(gè)測試點(diǎn)，方便評(píng)估其在特定應(yīng)用中的表現(xiàn)。此外，通過更改單個(gè)設(shè)置電阻，該模塊還能支持0.9V - 2.5V的輸出電壓。

2. 應(yīng)用場景

此模塊適用于多種場景，包括非隔離中電流負(fù)載點(diǎn)和低壓總線轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電信設(shè)備、計(jì)算機(jī)外設(shè)以及數(shù)字機(jī)頂盒等。

3. 模塊特性

• 輸入范圍廣：支持3.0V - 5.5V的輸入范圍。
• 輸出可調(diào)：固定輸出為1.8V，可通過單個(gè)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。
• 大電流輸出：直流穩(wěn)態(tài)輸出電流可達(dá)6A（3.3V輸入時(shí)為3A）。
• 高開關(guān)頻率：開關(guān)頻率固定為600kHz。
• 集成度高：采用單個(gè)SO - 8雙MOSFET作為主開關(guān)和同步整流器。
• PCB設(shè)計(jì)合理：雙面2層PCB，所有組件都在頂層，有源轉(zhuǎn)換器面積小于1平方英寸。
• 測試方便：提供方便的測試點(diǎn)，可用于探測開關(guān)波形和進(jìn)行非侵入式環(huán)路響應(yīng)測試。

二、電氣性能規(guī)格

三、電路調(diào)整

1. 輸出電壓調(diào)整（R5）

通過改變反饋電阻分壓器中的接地電阻R5，可以在有限范圍內(nèi)調(diào)整穩(wěn)壓輸出電壓。輸出電壓公式為：（此處公式中(V_{VREF}=0.600V)，(R8 = 20KΩ)）。表2給出了不同輸出電壓對(duì)應(yīng)的R5值，這些值能使輸出電壓的標(biāo)稱設(shè)定點(diǎn)誤差小于1%。如果需要更精確的標(biāo)稱值，可以將R4與R5并聯(lián)，使用常見的E96電阻獲得更寬的電阻值范圍。

2. 短路保護(hù)調(diào)整（R6）

TPS40041采用可選電流限制進(jìn)行短路保護(hù)，通過在R6處放置電阻從三個(gè)級(jí)別中選擇電流限制。TPS40041將高端FET（VDD到SW）上的電壓降與啟動(dòng)期間選擇的內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較。表3列出了不同(V{SCP})對(duì)應(yīng)的R6值，短路保護(hù)前的電流可通過將(V{SCP})除以高端FET（Q2）的(R_{DS(on)})來確定。

3. 使能功能（TP1 & SW1）

TPS40041EVM - 001提供一個(gè)高電平有效的使能輸入（TP1），方便用戶評(píng)估TPS40041的使能功能。使能測試點(diǎn)使用100kΩ上拉電阻，因此如果使能測試點(diǎn)懸空，TPS40041將開啟。

四、測試設(shè)置

1. 所需設(shè)備

• 電壓源：輸入電壓源（(V_{IN})）應(yīng)為0V - 6V的可變直流電源，能夠提供5A的電流。
• 儀表：包括0A - 5A的電流表A1、0V - 15V的電壓表V1（用于測量(V{IN})）和0V - 15V的電壓表V2（用于測量(V{OUT})）。
• 負(fù)載：輸出負(fù)載LOAD1應(yīng)為能夠在1.8V下提供0A - 6A的電子恒流模式負(fù)載。
• 示波器：可使用數(shù)字或模擬示波器測量(V_{OUT})的紋波電壓，示波器應(yīng)設(shè)置為1MΩ阻抗、20MHz帶寬、交流耦合、1μs/div水平分辨率和10mV/div垂直分辨率。
• 推薦線規(guī)：(V_{IN})到J1的連接推薦使用AWG #16線，總長度小于4英尺（輸入2英尺，返回2英尺）；J2到LOAD1的電源連接推薦使用2 x AWG #16線，總長度小于4英尺（輸出2英尺，返回2英尺）。
• 風(fēng)扇：由于該評(píng)估模塊的組件可能會(huì)發(fā)熱，需要一個(gè)200lfm - 400lfm的小風(fēng)扇來降低組件表面溫度，以防止用戶受傷。

2. 設(shè)備設(shè)置步驟

1. 在ESD工作站工作，確保在給EVM供電前，將任何腕帶、靴帶或墊子連接到接地參考點(diǎn)，同時(shí)佩戴靜電服和安全眼鏡。
2. 在連接直流輸入源(V{IN})之前，建議將源電流限制在最大5.0A，并確保(V{IN})初始設(shè)置為0V，按照?qǐng)D2所示進(jìn)行連接。
3. 按照?qǐng)D2所示，在(V_{IN})和J1之間連接電流表A1（0A - 5A范圍）。
4. 按照?qǐng)D2所示，將電壓表V1連接到TP1和TP2。
5. 按照?qǐng)D2所示，將LOAD1連接到J2，并在施加(V_{IN})之前將LOAD1設(shè)置為恒流模式以吸收0A電流。
6. 按照?qǐng)D2所示，將電壓表V2跨接在TP14和TP15上。
7. 按照?qǐng)D3所示，將示波器探頭連接到TP14和TP15。
8. 按照?qǐng)D2所示放置風(fēng)扇并打開，確保空氣流過EVM。

3. 啟動(dòng)/關(guān)閉程序

• 啟動(dòng)：將(V{IN})從0V增加到5V，將LOAD1從0A變化到6A，將(V{IN})從3.0V變化到5.5V。
• 關(guān)閉：將LOAD1減小到0A，關(guān)閉示波器、LOAD1、(V_{IN})和風(fēng)扇。

4. 控制環(huán)路增益和相位測量程序

1. 按照?qǐng)D4所示，將1kHz - 1MHz隔離變壓器連接到TP9和TP11。
2. 按照?qǐng)D4所示，將輸入信號(hào)幅度測量探頭（通道A）連接到TP9。
3. 按照?qǐng)D4所示，將輸出信號(hào)幅度測量探頭（通道B）連接到TP11。
4. 按照?qǐng)D4所示，將通道A和通道B的接地引線連接到TP10和TP12。
5. 通過隔離變壓器在R7上注入25mV或更小的信號(hào)。
6. 以10Hz或更低的后置濾波器將頻率從1kHz掃描到1MHz。
7. 控制環(huán)路增益可通過公式(20 × log left(frac{ ChannelB }{ ChannelA }right))測量。
8. 控制環(huán)路相位通過通道A和通道B之間的相位差測量。
9. 在進(jìn)行其他測量之前，將隔離變壓器從TP9和TP11斷開，因?yàn)樾盘?hào)注入反饋可能會(huì)干擾其他測量的準(zhǔn)確性。

五、典型性能數(shù)據(jù)和特性曲線

圖5 - 9展示了TPS40041EVM - 001的典型性能曲線，包括效率、線路和負(fù)載調(diào)節(jié)以及輸出電壓紋波等方面。需要注意的是，實(shí)際性能數(shù)據(jù)可能會(huì)受到測量技術(shù)和環(huán)境變量的影響，這些曲線僅供參考。

六、EVM組裝圖紙和布局

圖10 - 13展示了TPS40041EVM - 001印刷電路板的設(shè)計(jì)。該EVM采用雙面2盎司覆銅電路板，尺寸為2.5” x 2.4”，所有組件都位于頂層1” x 1”的有源區(qū)域內(nèi)，方便用戶在實(shí)際應(yīng)用中輕松查看、探測和評(píng)估TPS40041控制設(shè)備。對(duì)于空間受限的系統(tǒng)，將組件移動(dòng)到PCB的兩側(cè)或使用額外的內(nèi)層可以進(jìn)一步減小尺寸。

七、材料清單

表4列出了根據(jù)圖1所示原理圖配置的EVM組件，包括電容、二極管、MOSFET、電阻、測試點(diǎn)和控制器等。

八、重要注意事項(xiàng)

德州儀器（TI）保留對(duì)其產(chǎn)品和服務(wù)進(jìn)行更正、修改、增強(qiáng)、改進(jìn)和其他更改的權(quán)利，并有權(quán)隨時(shí)停止任何產(chǎn)品或服務(wù)而不另行通知?？蛻粼谙聠吻皯?yīng)獲取最新相關(guān)信息，并驗(yàn)證該信息是否最新和完整。所有產(chǎn)品均按TI在訂單確認(rèn)時(shí)提供的銷售條款和條件出售。TI對(duì)其硬件產(chǎn)品的性能提供符合銷售時(shí)適用規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)保修，但并非對(duì)每個(gè)產(chǎn)品的所有參數(shù)都進(jìn)行測試。TI不承擔(dān)應(yīng)用協(xié)助或客戶產(chǎn)品設(shè)計(jì)的責(zé)任，客戶應(yīng)對(duì)使用TI組件的產(chǎn)品和應(yīng)用負(fù)責(zé)。此外，TI不保證或代表授予任何TI專利、版權(quán)、掩膜作品權(quán)或其他TI知識(shí)產(chǎn)權(quán)相關(guān)的許可。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要綜合考慮這些因素，確保電源模塊的性能和穩(wěn)定性。你在使用類似電源模塊時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。