TPS40090EVM - 002 評估板：高效多相降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計指南

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理一直是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的 TPS40090EVM - 002 評估板，這是一款基于 TPS40090 多相控制器和 TPS2834 自適應(yīng)驅(qū)動器的多相 DC - DC 轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)?12V 輸入降壓至 1.5V，輸出電流可超過 100A。

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一、評估板重要注意事項

1. 用途限制

TI 出售的這款評估板僅用于工程開發(fā)或評估目的，并非適用于商業(yè)用途。它在設(shè)計、營銷和制造相關(guān)的保護(hù)考慮方面可能并不完善，包括最終產(chǎn)品中常見的產(chǎn)品安全措施。此外，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. 保修政策

如果評估板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，替代了所有其他明示、暗示或法定的保修。

3. 用戶責(zé)任

用戶需對產(chǎn)品的正確和安全處理承擔(dān)全部責(zé)任，并對因產(chǎn)品處理或使用而產(chǎn)生的所有索賠進(jìn)行賠償。同時，由于產(chǎn)品可能未通過監(jiān)管合規(guī)或機(jī)構(gòu)認(rèn)證，用戶應(yīng)采取適當(dāng)?shù)撵o電放電預(yù)防措施。

二、動態(tài)警告與限制

1. 輸入電壓范圍

評估板應(yīng)在 0Vdc 至 100Vdc 的輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)行。超出此范圍可能導(dǎo)致意外操作或?qū)υu估板造成不可逆損壞。如有疑問，應(yīng)在連接輸入電源前聯(lián)系 TI 現(xiàn)場代表。

2. 負(fù)載范圍

施加超出指定輸出范圍的負(fù)載可能導(dǎo)致意外操作或?qū)υu估板造成永久性損壞。在連接負(fù)載前，請查閱用戶指南；若對負(fù)載規(guī)格不確定，也應(yīng)聯(lián)系 TI 現(xiàn)場代表。

3. 溫度注意事項

在正常運(yùn)行期間，某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，評估板設(shè)計為在部分組件高于 50°C 的情況下仍能正常工作。在操作過程中，靠近這些組件放置測量探頭時，要注意它們可能會很燙。

三、評估板特性

1. 性能參數(shù)

2. 可配置性

TPS40090EVM - 002 可配置為 2 相、3 相或 4 相操作。對于 2 相操作，需安裝 R65 和 R66 以將 PWM2 和 PWM4 連接到內(nèi)部 5V。

四、組件選擇

1. 工作頻率

TPS40090 的時鐘振蕩器頻率通過一個從 RT（引腳 16）到信號地的單個電阻進(jìn)行編程。計算公式為： [R{T}=R 12=K{P H} timesleft(39.2 × 10^{3} × f{P H}^{-1.024}-7right)(k Omega)] 其中，(K{PH}) 是取決于有效相數(shù)的系數(shù)，(f{PH}) 是單相頻率（kHz）。對于 420kHz 的工作頻率，計算得到 (R{T}) 為 65.8kΩ，實際使用 64.9kΩ 的標(biāo)準(zhǔn)電阻。

2. 電感值

每個相的輸出電感值可根據(jù)關(guān)斷時間的伏秒計算： [L=frac{V{OUT }}{f × I{RIPPLE }} timesleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN (max )}}right)] 通常選擇 (I{RIPPLE}) 為最大相電流 (I{PH(max )}) 的 10% - 40%。在本設(shè)計中，(I{RIPPLE}) 為 (I{PH(max )}) 的 20%，即 5A，計算得到電感值為 0.63μH，實際使用 TDK 的 SPM12550 - R62M300 電感，其電感值為 0.6μH，電阻為 1.75mΩ。

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，輸入 RMS 電流會降低。輸入紋波電流 RMS 值與負(fù)載電流的關(guān)系可通過相關(guān)公式計算。為限制電壓紋波，還需考慮最小電容值。在本設(shè)計中，使用兩個 68μF、20V 的三洋 Oscon 電容（20SVP68M），每個電容的 ESR 為 40mΩ。

4. 輸出紋波消除與電容選擇

由于通道交錯，總輸出紋波電流小于單相紋波電流。紋波消除因子可通過公式計算： [Delta I{OUT }left(N{P H}, Dright)=frac{left(prod{i=1}^{N{P H}}left|i-N{P H} × Dright|right)}{left[prod{i=1}^{N{P H}^{-1}}left(left|i-N{P H} × Dright|+1right)right]}] [kleft(N{P H}, Dright)= if left(N{P H} leq 1, Delta I{OUT }(D), Delta I{OUT }left(N_{P H}, Dright)right)] 輸出電容的選擇可從以下三個方面考慮：

• 最小允許輸出電容：由電感紋波電流和允許的輸出紋波確定，計算公式為 (C{OUT (min )}=frac{I{RIPPLE }}{8 × f × V_{RIPPLE }})。
• ESR 限制：為將紋波電壓限制在 10mV，電容 ESR 應(yīng)小于 (R{C}<=frac{V{RIPPLE }}{I_{RIPPLE }})。
• 瞬態(tài)考慮：通過比較電感能量和電容能量，可得到計算輸出電容的公式 (C_{OUT }=frac{L × I^{2}}{V^{2}})。在本設(shè)計中，使用八個 220μF 的 POSCAP 電容與四個 22μF 的陶瓷電容并聯(lián)。

5. MOSFET 選擇

在高比率降壓應(yīng)用中，開關(guān) FET 和整流 FET 有不同的要求。整流 FET 大部分時間處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此應(yīng)選擇低 (R{DS(on)}) 且 (Q{gs} > Q_{gd}) 的 FET。開關(guān) FET 則以高電壓和高電流進(jìn)行開關(guān)，應(yīng)選擇總柵極電荷低的 FET。在本設(shè)計中，整流 FET 使用兩個并聯(lián)的 Siliconix Si7880DP，開關(guān) FET 使用單個 Si7860DP。

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)計使用輸出電感的 DCR 作為電流傳感組件，并通過 R - C 網(wǎng)絡(luò)和額外電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

7. 過流限制保護(hù)

過流功能分別監(jiān)測每個電流傳感輸入的電壓水平，并將其與 ILIM 引腳設(shè)置的電壓進(jìn)行比較。如果超過閾值 (V_{ILIM } / 2.7)，相應(yīng)相的 PWM 周期將終止。

8. 補(bǔ)償組件

TPS40090 使用峰值電流模式控制，采用 Type II 網(wǎng)絡(luò)，提供一個零點(diǎn)和兩個極點(diǎn)。第一個極點(diǎn)位于原點(diǎn)以改善直流調(diào)節(jié)，ESR 零點(diǎn)和第二個極點(diǎn)的位置根據(jù)相關(guān)公式計算確定。

五、測試設(shè)置

測試時，HPA072 的輸入輸出連接如下：12V 輸入通過 J1（VIN）和 J2（GND），1.5V 輸出通過 J9（VOUT）和 J10（GND）。應(yīng)使用能夠提供 18A 的電源通過一對 10AWG 電線連接到 VIN 和 GND，1.5V 負(fù)載通過一對 0AWG 電線分別連接到 J9 和 J10。為減少電線損耗，應(yīng)盡量縮短電線長度。同時，建議使用一個 5 英寸、200cfm 氣流的風(fēng)扇以確保評估板在滿載下正常運(yùn)行。

六、測試結(jié)果與性能數(shù)據(jù)

1. 效率與功率損耗

負(fù)載從 10A 變化到超過 100A 時，滿載效率約為 84.3%，100A 時的總損耗約為 28.3W。

2. 閉環(huán)性能

TPS40090 使用峰值電流模式控制，在 100A 負(fù)載電流下，交叉頻率為 89kHz，相位裕度為 40°。

3. 輸出紋波與噪聲

在 (V{IN}=12V) 和 (I{out}=100A) 時，輸出紋波小于 10mV。

4. 瞬態(tài)響應(yīng)

通過板載負(fù)載瞬態(tài)電路，可檢查負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)。負(fù)載從 10A 階躍到 100A 時，輸出偏差約為 200mV，穩(wěn)定時間在 15μs 以內(nèi)。

5. 預(yù)偏置輸出啟動

在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，為避免底部 FET 在啟動時對預(yù)偏置輸出放電，使用比較器 U9 和周邊組件將驅(qū)動器的 SYNC 引腳拉低，使底部 FET 在啟動期間保持關(guān)閉。啟動后，SYNC 引腳拉高，轉(zhuǎn)換器恢復(fù)正常同步模式。

七、布局考慮

PCB 布局在高頻開關(guān)電源設(shè)計中起著關(guān)鍵作用。以下布局建議有助于提高性能和加快設(shè)計進(jìn)程：

• 將輸入電容放置在輸入電壓分配到各相的節(jié)點(diǎn)之前，輸出電容放置在所有電感連接的節(jié)點(diǎn)之后。
• 將外部驅(qū)動器靠近 FET 放置，并使用至少 25mil 的走線傳輸柵極驅(qū)動信號以提高抗噪能力。
• 在每個通道的輸入處放置一些陶瓷電容以過濾電流尖峰。
• 將 NTC 電阻靠近相關(guān)電感放置以實現(xiàn)更好的熱耦合。
• 建議使用 2oz 或更厚的銅以降低走線阻抗。
• 在功率組件的焊盤周圍放置足夠的過孔以增加熱傳導(dǎo)。
• 盡量縮短電流傳感走線以避免過多的噪聲拾取。
• 輸出電感應(yīng)相對于輸出連接器盡可能對稱放置，以獲得相似的走線阻抗電壓降。

八、評估板組件清單

文檔提供了詳細(xì)的 TPS40090EVM - 002 組件清單，包括電容、電阻、二極管、MOSFET、IC 等組件的型號、數(shù)量、規(guī)格和制造商信息。

通過以上對 TPS40090EVM - 002 評估板的詳細(xì)介紹，我們可以看到它在多相降壓轉(zhuǎn)換方面的強(qiáng)大性能和靈活性。在實際設(shè)計中，工程師們可以根據(jù)具體需求進(jìn)行組件選擇和布局優(yōu)化，以實現(xiàn)最佳的電源管理效果。你在使用類似評估板時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。