TPS40090EVM - 001多相降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊使用指南

一、引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源轉(zhuǎn)換模塊的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。TPS40090EVM - 001多相直流 - 直流轉(zhuǎn)換器就是一款值得關(guān)注的產(chǎn)品。它利用TPS40090多相控制器和UCC27222預(yù)測(cè)性柵極驅(qū)動(dòng)器，能夠?qū)?2V輸入電壓降至1.5V，輸出電流可達(dá)100A，開關(guān)頻率為420kHz。這種高效的轉(zhuǎn)換能力使其在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中具有很大的優(yōu)勢(shì)。

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二、重要注意事項(xiàng)

2.1 評(píng)估模塊用途

TI提供的這款評(píng)估套件僅用于工程開發(fā)或評(píng)估目的，并非適用于商業(yè)用途。該產(chǎn)品可能在設(shè)計(jì)、營(yíng)銷和制造相關(guān)的保護(hù)措施方面存在不足，包括最終產(chǎn)品中常見的產(chǎn)品安全措施。同時(shí)，作為原型產(chǎn)品，它可能不符合歐盟電磁兼容性指令的技術(shù)要求。

2.2 保修政策

如果評(píng)估套件不符合用戶指南中的規(guī)格，可在交付日期起30天內(nèi)退還以獲得全額退款。這是TI提供的唯一保修，替代所有其他明示、暗示或法定的保修。

2.3 用戶責(zé)任

用戶需對(duì)產(chǎn)品的正確和安全處理承擔(dān)全部責(zé)任，并對(duì)TI因產(chǎn)品處理或使用而產(chǎn)生的所有索賠進(jìn)行賠償。此外，收到的產(chǎn)品可能未通過監(jiān)管合規(guī)或機(jī)構(gòu)認(rèn)證（如FCC、UL、CE等），由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)開放，用戶有責(zé)任采取適當(dāng)?shù)撵o電放電預(yù)防措施。

三、動(dòng)態(tài)警告和限制

3.1 輸入電壓范圍

該評(píng)估模塊的輸入電壓范圍為0Vdc至100Vdc。超出此范圍可能導(dǎo)致意外操作和/或?qū)δK造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。如果對(duì)輸入范圍有疑問，在連接輸入電源之前，請(qǐng)聯(lián)系TI現(xiàn)場(chǎng)代表。

3.2 負(fù)載范圍

施加超出指定輸出范圍的負(fù)載可能導(dǎo)致意外操作和/或?qū)δK造成永久性損壞。在連接任何負(fù)載到模塊輸出之前，請(qǐng)查閱用戶指南。如果對(duì)負(fù)載規(guī)格不確定，請(qǐng)聯(lián)系TI現(xiàn)場(chǎng)代表。

3.3 溫度注意事項(xiàng)

在正常運(yùn)行期間，一些電路組件的外殼溫度可能超過50°C。只要保持輸入和輸出范圍，模塊設(shè)計(jì)為在某些組件高于50°C的情況下仍能正常工作。這些組件包括線性穩(wěn)壓器、開關(guān)晶體管、傳輸晶體管和電流感測(cè)電阻等。在操作過程中，將測(cè)量探頭靠近這些設(shè)備時(shí)，要注意它們可能會(huì)很燙。

四、產(chǎn)品特性

從這些特性數(shù)據(jù)中，我們可以看出該模塊在電壓調(diào)節(jié)、負(fù)載響應(yīng)等方面表現(xiàn)出色，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。但在實(shí)際應(yīng)用中，我們也需要根據(jù)具體情況來評(píng)估這些參數(shù)是否符合要求。例如，對(duì)于對(duì)電壓穩(wěn)定性要求極高的應(yīng)用，可能需要進(jìn)一步優(yōu)化負(fù)載調(diào)節(jié)率和紋波電壓等參數(shù)。

五、電路原理圖

文檔中提供了HPA026的三張?jiān)韴D，分別是TPS40090控制器、功率級(jí)和驅(qū)動(dòng)電路、負(fù)載瞬態(tài)發(fā)生器。這些原理圖是我們進(jìn)行電路分析和設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。通過仔細(xì)研究原理圖，我們可以了解各個(gè)組件之間的連接關(guān)系和信號(hào)流向，從而更好地理解整個(gè)電路的工作原理。

六、組件選擇

6.1 工作頻率

TPS40090的時(shí)鐘振蕩器頻率通過一個(gè)從RT（引腳16）到信號(hào)地的單個(gè)電阻進(jìn)行編程。對(duì)于420kHz的工作頻率，計(jì)算得出RT電阻值為65.8kΩ，實(shí)際使用了64.9kΩ的標(biāo)準(zhǔn)電阻。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的工作頻率要求，準(zhǔn)確計(jì)算和選擇合適的電阻值，以確保電路的穩(wěn)定運(yùn)行。

6.2 電感值

每個(gè)相位的輸出電感值可以根據(jù)關(guān)斷時(shí)間的伏秒計(jì)算得出。當(dāng)紋波電流為最大相電流的20%（即5A）時(shí)，電感值為0.63μH，實(shí)際使用了TDK的SPM12550 - R62M300電感，其電感值為0.6μH，電阻為1.75mΩ。在多相高電流降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，由于交錯(cuò)效應(yīng)的紋波抵消因素，電感值可以比單相操作時(shí)小，但從傳導(dǎo)損耗的角度考慮，電感值又傾向于大一些以減少紋波電流和損耗，因此需要進(jìn)行權(quán)衡。

6.3 輸入電容選擇

輸入電容的選擇基于輸入電壓紋波要求。由于多相交錯(cuò)，輸入RMS電流會(huì)降低。通過相關(guān)公式可以計(jì)算輸入紋波電流RMS值與負(fù)載電流的關(guān)系。對(duì)于典型的150mV紋波電壓，計(jì)算得出最大ESR為47mΩ。在電路板的輸入側(cè)放置了兩個(gè)68μF、20V的三洋Oscon電容器（20SVP68M），每個(gè)電容器的ESR為40mΩ。在選擇輸入電容時(shí)，我們不僅要考慮電容值和ESR，還要考慮電容的耐壓、溫度特性等因素。

6.4 輸出紋波抵消和電容選擇

由于通道的交錯(cuò)，總輸出紋波電流小于單相的紋波電流。通過相關(guān)公式可以計(jì)算紋波抵消系數(shù)。輸出電容的選擇需要考慮多個(gè)應(yīng)用變量，包括功能、成本、尺寸和可用性等。有三種計(jì)算輸出電容的方法：

1. 根據(jù)電感紋波電流和允許的輸出紋波確定最小允許輸出電容。在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)VRIPPLE = 10mV時(shí)，COUT(min)為101μF，但這僅影響紋波電壓的電容分量，最終電容值通常受ESR和瞬態(tài)考慮因素的影響。
2. ESR限制，為了將紋波電壓限制在10mV，電容ESR應(yīng)小于計(jì)算值。
3. 瞬態(tài)考慮，通過考慮負(fù)載從滿載到空載的瞬態(tài)電壓過沖，可以推導(dǎo)出輸出電感和電容值的選擇公式。在100A的設(shè)計(jì)中，限制瞬態(tài)所需的電容值明顯大于保持紋波在可接受范圍內(nèi)所需的電容值。最終使用了八個(gè)220μF的POSCAP電容器與四個(gè)22μF的陶瓷電容器并聯(lián)，每個(gè)POSCAP的ESR為15mΩ。

6.5 MOSFET選擇

在高比例降壓應(yīng)用中，開關(guān)FET和整流FET有不同的要求。由于占空比約為12%，整流FET在大部分周期內(nèi)導(dǎo)通，傳導(dǎo)損耗占主導(dǎo)地位，因此優(yōu)選低RDS(on)的FET。同時(shí)，由于整流FET的dV/dt導(dǎo)通和交叉?zhèn)鲗?dǎo)，應(yīng)選擇Qgs > Qgd的整流FET。開關(guān)FET在高電壓和高電流下開關(guān)，開關(guān)損耗占主導(dǎo)地位，因此選擇了低總柵極電荷的Si7860DP。兩種類型的FET都采用Powerpak SO - 8封裝，電路板布局為開關(guān)FET和整流FET都設(shè)計(jì)了兩個(gè)FET并聯(lián)的方式，以便為不同應(yīng)用修改電路板提供可行性。

6.6 電流傳感

TPS40090支持電阻電流傳感和DCR電流傳感方法。本設(shè)計(jì)中使用輸出電感的DCR作為電流傳感組件。通過在電感上并聯(lián)一個(gè)R - C網(wǎng)絡(luò)，如果兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相同（L / DCR = R × C），則VC = VDCR。還使用了額外的電路來補(bǔ)償銅電阻率的正溫度系數(shù)（0.385%/°C）。

6.7 過流限制保護(hù)

過流功能分別監(jiān)測(cè)每個(gè)電流感測(cè)輸入的電壓水平，并將其與ILIM引腳通過控制器參考分壓器設(shè)置的電壓進(jìn)行比較。如果超過VILIM / 2.7的閾值，則相應(yīng)相位的PWM周期將終止。ILIM引腳的電壓由相關(guān)公式確定。

6.8 補(bǔ)償組件

TPS40090采用峰值電流模式控制，使用Type II網(wǎng)絡(luò)，提供一個(gè)零點(diǎn)和兩個(gè)極點(diǎn)。第一個(gè)極點(diǎn)位于原點(diǎn)以改善直流調(diào)節(jié)。通過相關(guān)公式可以計(jì)算功率級(jí)的ESR零點(diǎn)、零點(diǎn)和第二個(gè)極點(diǎn)的位置，并選擇合適的電阻和電容值。

6.9 下垂功能

電阻R8用于編程下垂功能。如果需要下垂功能，需要根據(jù)所需的下垂電壓修改R8的值，R8可以通過相關(guān)公式計(jì)算得出。

七、測(cè)試結(jié)果/性能數(shù)據(jù)

7.1 效率和功率損耗

通過比較不同電感值（Lout = 0.6 - μH和Lout = 0.3 - μH）下的效率曲線，我們可以看到在滿載時(shí)，Lout = 0.6 - μH的效率約為86.6%，Lout = 0.3 - μH的效率約為86%。同時(shí)，還給出了總損耗與負(fù)載電流的關(guān)系，在100A負(fù)載時(shí)，上述兩種電感值對(duì)應(yīng)的總損耗分別約為23.3W和24.1W。

7.2 閉環(huán)性能

TPS40090采用峰值電流模式控制，通過Bode圖可以看出在10A和100A負(fù)載電流下的性能。在無下垂功能的情況下，交叉頻率為89kHz，相位裕度為59度。

7.3 輸出紋波和噪聲

在VIN = 12V和IOUT = 100A的條件下，輸出紋波小于10mV。

7.4 瞬態(tài)響應(yīng)

通過板載負(fù)載瞬態(tài)電路可以檢查階躍負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)負(fù)載從10A階躍到100A時(shí)，輸出偏差約為200mV，穩(wěn)定時(shí)間在15μs以內(nèi)。

八、布局考慮

在高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，PCB布局對(duì)性能起著關(guān)鍵作用。以下是一些布局建議：

1. 為了充分利用交錯(cuò)效應(yīng)的紋波抵消因素，將輸入電容放置在輸入電壓分配到每個(gè)相位的節(jié)點(diǎn)之前，將輸出電容放置在所有電感連接的節(jié)點(diǎn)之后。
2. 將外部驅(qū)動(dòng)器放置在FET旁邊，并使用至少25mil的走線來傳輸柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以提高抗噪能力。
3. 在每個(gè)通道的輸入處放置一些陶瓷電容，以過濾電流尖峰。
4. 將NTC電阻放置在與其相關(guān)的電感旁邊，以實(shí)現(xiàn)更好的熱耦合。
5. 建議使用2oz或更厚的銅來降低走線阻抗。
6. 在功率組件的焊盤周圍放置足夠的過孔，以增加熱傳導(dǎo)。
7. 保持電流傳感走線盡可能短，以避免過多的噪聲拾取。
8. 將輸出電感相對(duì)于輸出連接器盡可能對(duì)稱放置，以獲得相似的走線阻抗電壓降。

九、總結(jié)

TPS40090EVM - 001多相降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域具有出色的性能和穩(wěn)定性。通過合理的組件選擇和優(yōu)化的PCB布局，可以進(jìn)一步提高其性能。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求和場(chǎng)景，對(duì)各個(gè)參數(shù)和組件進(jìn)行仔細(xì)的評(píng)估和調(diào)整，以確保模塊能夠滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，我們也需要關(guān)注模塊的使用注意事項(xiàng)和安全要求，以保證使用過程中的可靠性和安全性。大家在使用過程中遇到過哪些類似模塊的問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。