深入解析TPS51116EVM評估模塊：DDR內(nèi)存供電的理想之選

在電子工程師的日常工作中，為DDR內(nèi)存模塊設(shè)計(jì)高效、穩(wěn)定的電源解決方案是一項(xiàng)常見且關(guān)鍵的任務(wù)。德州儀器（TI）的TPS51116EVM評估模塊，為DDR、DDR2和DDR3內(nèi)存模塊提供了一個(gè)完整的電源解決方案。接下來，我們將詳細(xì)探討這個(gè)評估模塊的特點(diǎn)、配置和性能。

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一、TPS51116EVM概述

TPS51116EVM是一款雙輸出轉(zhuǎn)換器，專為DDR、DDR2和DDR3內(nèi)存模塊設(shè)計(jì)。它采用10 - A同步降壓轉(zhuǎn)換器為DDR內(nèi)存模塊提供核心電壓（VDDQ）。該評估模塊的供電電壓范圍為4.5 - 28 V，控制器偏置電源為4.75 - 5.25 V，這使得它既可以從單一的5 V電源啟動，也能在較寬的電源電壓范圍內(nèi)配合低功耗5 V偏置電源工作。

1.1 應(yīng)用領(lǐng)域

• 雙數(shù)據(jù)速率（DDR）高速RAM電源
• 高性能AGP視頻卡
• 筆記本、臺式機(jī)和服務(wù)器主板
• 高性能計(jì)算機(jī)
• 高內(nèi)存含量的消費(fèi)電子產(chǎn)品

1.2 功能特性

• VDDO開關(guān)穩(wěn)壓器輸出效率高達(dá)85%
• 雙開關(guān)穩(wěn)壓器/LDO輸出，為DDR核心和端接電壓供電
• 3 - A灌/拉端接電壓LDO穩(wěn)壓器
• 10 - mA端接參考電壓，用于DDR輸入?yún)⒖?/li>
• 用戶可選擇DDR、DDR2、DDR3或外部參考電源電壓
• 用戶可選擇開關(guān)穩(wěn)壓器或外部電源作為LDO端接穩(wěn)壓器的電源
• 提供用于測試S3和S5睡眠狀態(tài)的開關(guān)

二、電氣性能規(guī)格

三、原理圖與配置

3.1 跳線功能

3.2 睡眠狀態(tài)開關(guān)

開關(guān)SW1和SW2分別用于選擇S5和S3睡眠狀態(tài)，用戶可以通過它們觀察TPS51116控制器對這些內(nèi)存睡眠狀態(tài)的反應(yīng)。

3.3 電阻和短路

電阻R8和短路R9允許用戶在無損RDS(on)和傳統(tǒng)電阻電流傳感之間進(jìn)行選擇。如果通過JP2選擇電阻傳感，則必須安裝R8并移除R9；如果通過JP2選擇RDS(on)傳感，則必須安裝R9，由于R9和R8并聯(lián)，R8可以留在PCB上。

3.4 MOSFET選擇

TPS51116EVM上使用的MOSFET Q1和Q2的值是為了在3 - 28 V的筆記本電源系統(tǒng)工作范圍內(nèi)優(yōu)化開關(guān)穩(wěn)壓器的運(yùn)行而選擇的。在有穩(wěn)壓電源電壓的應(yīng)用中，可以優(yōu)化MOSFET以減少損耗并提高效率。

• 對于固定12 V電源的系統(tǒng)，高端MOSFET的低占空比有利于選擇具有較高RDS(on)的MOSFET，以降低柵極電荷和加快開關(guān)時(shí)間。TI推薦使用Vishay SI4390作為Q1，SI4378作為Q2或等效的MOSFET。
• 對于開關(guān)穩(wěn)壓器和TPS51116的VDD電壓都使用單一5 V電源軌的應(yīng)用，高端MOSFET的占空比較高，因此適合選擇具有較低RDS(on)和稍高柵極電荷的MOSFET。TI推薦將Vishay SI4378用于Q1和Q2。

四、配置模式

4.1 用戶可選擇的配置模式

TPS51116EVM通過四個(gè)跳線塊、兩個(gè)開關(guān)和三個(gè)電阻來調(diào)整配置。需要注意的是，不要將跳線安裝在非指定位置。

4.2 JP1跟蹤放電模式

TPS51116EVM預(yù)配置為跟蹤放電模式。在該模式下，當(dāng)TPS51116通過打開S3和S5開關(guān)設(shè)置為放電時(shí)，它會關(guān)閉兩個(gè)MOSFET，并通過內(nèi)部MOSFET從VDDQ輸出緩慢吸收電流。要將評估模塊編程為跟蹤放電模式，需將JP1跳線設(shè)置到較低的垂直位置。

4.3 JP1非跟蹤放電模式

要使TPS51116EVM在非跟蹤放電模式下運(yùn)行，TPS51116必須設(shè)置為自驅(qū)動LDO電源電壓模式，因?yàn)樗鼤腣DDQ輸出吸收高達(dá)3 A的電流，直到VVDDQ放電至300 mV。如果使用外部LDO電源，選擇非跟蹤放電模式可能會損壞TPS51116EVM。要將評估模塊編程為非跟蹤放電模式，需將JP1跳線設(shè)置到較高的垂直位置。

4.4 JP1無放電模式

在無放電模式下，TPS51116只需關(guān)閉電源MOSFET，讓輸出由負(fù)載或輸出電容的自放電來放電。要將評估模塊編程為無放電模式，需將JP1跳線設(shè)置到中心水平位置。

4.5 JP2 RDS(on)電流傳感

TPS51116EVM預(yù)配置為無損RDS(on)電流傳感模式。在該模式下，它使用低端MOSFET（Q2）的正向電壓降來監(jiān)測電感電流。如果檢測到故障，輸出電壓會隨著輸出電流的增加而下降；如果檢測到嚴(yán)重的過流故障，會觸發(fā)欠壓比較器。要進(jìn)行RDS(on)過流傳感，需在R9處放置一個(gè)0 - Ω電阻或短路，并將JP2跳線設(shè)置到較低位置。

4.6 JP2電阻電流傳感

TPS51116EVM也可以配置為電阻電流傳感模式。在該模式下，它通過R8上的電壓降來傳感電感電流。與RDS(on)電流傳感模式一樣，TPS51116會限制輸出電流，使VVDDQ下降并觸發(fā)欠壓比較器輸出。要將評估模塊編程為電阻電流傳感模式，需確保在R8位置安裝2 - W、6 mΩ的電阻，移除R9位置的任何電阻，并將JP2設(shè)置到較高位置。

4.7 JP3 D - CAP控制模式

TPS51116EVM預(yù)配置為TI的D - CAP模式。這種自適應(yīng)恒定導(dǎo)通時(shí)間半滯回控制方案結(jié)合了固定頻率穩(wěn)態(tài)操作和滯回控制的快速瞬態(tài)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，并具有最小關(guān)斷時(shí)間，以防止電感飽和或100%占空比操作。要將評估模塊編程為D - CAP控制模式，需將JP3設(shè)置到較高位置。

4.8 JP3電流模式控制

TPS51116EVM也可以配置為更傳統(tǒng)的電流模式控制。在該模式下，跨導(dǎo)放大器的輸出連接到補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。要將評估模塊編程為電流模式控制，需將JP3設(shè)置到較低位置。

4.9 JP4 DDR模式

要使TPS51116EVM在DDR模式下運(yùn)行，需將開關(guān)穩(wěn)壓器輸出電壓（VVDDQ）設(shè)置為2.5 V，LDO端接電壓（VVTT）設(shè)置為1.25 V。要將評估模塊編程為DDR模式，需將JP4跳線放置在中心垂直位置。

4.10 JP4 DDR2模式

TPS51116EVM預(yù)配置為DDR2模式，將開關(guān)穩(wěn)壓器輸出電壓（VVDDQ）設(shè)置為1.8 V，LDO端接電壓（VVTT）設(shè)置為0.9 V。要將評估模塊編程為DDR2模式，需將JP4跳線放置在右側(cè)水平位置。

4.11 JP4 DDR3或可調(diào)輸出電壓

TPS51116EVM可以配置為DDR3或可調(diào)輸出模式，用戶可以通過選擇R10和R11分壓器并使用內(nèi)部750 - mV參考來將VVDDQ設(shè)置在1.5 - 3.0 V之間。VTT輸出電壓會跟蹤該可調(diào)電壓。默認(rèn)的R10和R11值提供DDR3電壓電平，將開關(guān)穩(wěn)壓器電壓（VVDDQ）設(shè)置為1.5 V，LDO端接電壓（VVTT）設(shè)置為0.75 V。要將評估模塊編程為可調(diào)輸出電壓模式，需將JP4跳線放置在左側(cè)水平位置。

4.12 自驅(qū)動LDO電源電壓

TPS51116EVM預(yù)配置為自驅(qū)動LDO電源電壓模式。在該模式下，LDO直接由VVDDO開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出供電，無需外部電源電壓。要將評估模塊編程為自驅(qū)動LDO電源電壓，需在R1位置放置一個(gè)短路。

4.13 外部LDO電源電壓

TPS51116EVM也可以配置為外部LDO電源電壓模式。在該模式下，LDO由TPS51116以外的外部電壓源供電，用戶可以通過移除R1位置的0 - Ω電阻并將外部電源應(yīng)用到評估模塊板上的LDOIN_EX引腳（J1）來選擇另一個(gè)電源軌為VLDOIN供電。

五、測試設(shè)置

5.1 DC電源（VIN）

VIN應(yīng)是一個(gè)能夠提供0 - 30 VDC和0 - 10 A電流、功率處理能力至少為35 W的DC電壓源。VIN應(yīng)連接在引腳VIN和VIN_GND之間，為開關(guān)穩(wěn)壓器供電。

5.2 5 - V DC電源（VDD）

VDD應(yīng)是一個(gè)能夠提供5 V、500 mA電流、功率處理能力至少為2.5 W的DC電壓源。VDD應(yīng)連接在引腳V5IN和V5IN_GND之間，為TPS51116提供工作電流，為S3和S5睡眠狀態(tài)開關(guān)以及JP1 - JP4配置跳線供電。

5.3 端接電壓源（VTT）

VTT源用于測試VTT LDO的灌電流能力。VTT必須能夠在5 V下提供3 A的電流。應(yīng)在VTT上串聯(lián)一個(gè)二極管，以防止電流流入VTT。VTT應(yīng)連接在引腳Vtt和Vtt_GND之間。VTT和LOAD3絕不能同時(shí)通電。

5.4 核心電壓負(fù)載（LOAD1）

LOAD1應(yīng)是一個(gè)設(shè)置為恒流模式的電子負(fù)載，能夠在2.5 V（DDR模式）或1.8 V（DDR2模式）下吸收0 - 10 A的電流。LOAD1應(yīng)連接在引腳VDDQ和VDDQ_GND之間。

5.5 端接電壓負(fù)載（LOAD2）

LOAD2應(yīng)是一個(gè)設(shè)置為恒流模式的電子負(fù)載，能夠在1.25 V（DDR模式）或0.9 V（DDR2模式）下吸收0 - 3 A的電流。LOAD2應(yīng)連接在引腳Vtt和Vtt_GND之間。LOAD2和VTT絕不能同時(shí)通電。

5.6 存儲單元參考電壓負(fù)載（LOAD3）

LOAD3應(yīng)是一個(gè)電子或電阻負(fù)載，從1.25 V（DDR模式）或0.9 V（DDR2模式）的VTTREF吸收小于10 mA的電流。LOAD3應(yīng)連接在引腳Vtt_Ref和V5IN_GND之間。

5.7 風(fēng)扇

由于該轉(zhuǎn)換器的一些組件在運(yùn)行時(shí)會發(fā)熱，且評估模塊未封閉以便探測電路節(jié)點(diǎn)，因此建議使用一個(gè)能夠提供200 - 400 LFM風(fēng)量的小風(fēng)扇來降低組件溫度。

六、上電/下電測試程序

6.1 準(zhǔn)備工作

在ESD工作站工作，確保在給評估模塊通電之前，將任何腕帶、靴帶或墊子連接到接地參考點(diǎn)。同時(shí)，應(yīng)佩戴靜電服和安全眼鏡。

6.2 連接設(shè)備

按照原理圖連接電源、負(fù)載、電壓表和電流表。

6.3 設(shè)置跳線

根據(jù)所需的操作配置設(shè)置100 - mil分流跳線。注意，在操作過程中不要嘗試更改跳線設(shè)置。

6.4 初始狀態(tài)設(shè)置

確保S3和S5設(shè)置為S4/S5狀態(tài)，以確保在施加輸入電壓之前輸出初始處于禁用狀態(tài)。

6.5 上電過程

1. 將VDD從0 VDC增加到5 VDC，使用V3驗(yàn)證VDD電壓在4.75 - 5.25 V之間。
2. 將VIN從0 VDC增加到12 VDC，使用V1驗(yàn)證VIN電壓在11 - 13 V之間。
3. 將S3和S5切換到S0狀態(tài)以啟用輸出。

6.6 負(fù)載測試

1. 將LOAD1從0 ADC變化到10 ADC。
2. 在啟動LOAD2之前，確保VTT關(guān)閉。
3. 將LOAD2從0 A變化到3 A（在儀表A5上為0 A到 - 3 A），以測試LDO的源電流能力。
4. 在打開VTT之前，將LOAD2設(shè)置為0 A。
5. 改變VTT，使A5在0 A到 + 3 A之間變化，以測試LDO的灌電流能力。
6. 將LOAD3從0 mA變化到10 mA，但不要超過10 mA。
7. 將VIN從4.5 V變化到28 V。
8. 將VDD從4.75 V變化到5.25 V。
9. 使用S3和S5狀態(tài)開關(guān)測試睡眠狀態(tài)。

6.7 下電過程

1. 將VIN增加到12 VDC。
2. 將LOAD3減小到0 mA。
3. 將LOAD2減小到0 A。
4. 將LOAD3減小到0 A。
5. 將VIN減小到0 V。
6. 將VDD減小到0 V。

七、性能數(shù)據(jù)和特性曲線

7.1 效率

TPS51116EVM設(shè)計(jì)用于在從最大負(fù)載10 A到小于100 mA的非常輕負(fù)載的很寬負(fù)載電流范圍內(nèi)提供高效率。在非常輕負(fù)載下實(shí)現(xiàn)高效率非常重要，因?yàn)閮?nèi)存模塊在空閑狀態(tài)等待指令時(shí)消耗的電流非常少。

7.2 瞬態(tài)響應(yīng)

TPS51116EVM使用TI的D - CAP控制模式，能夠立即響應(yīng)負(fù)載瞬態(tài)。在D - CAP模式下，它可以在單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)從標(biāo)稱占空比切換到最大占空比，并在輸出電壓恢復(fù)到調(diào)節(jié)值后立即返回標(biāo)稱占空