德州儀器TPS54122EVM-201評估模塊：低噪聲3A電源的設(shè)計與測試

在電源設(shè)計領(lǐng)域，低噪聲、高功率的電源模塊一直是工程師們追求的目標(biāo)。德州儀器（Texas Instruments）的TPS54122EVM - 201評估模塊，為工程師們提供了一個理想的參考設(shè)計，用于評估TPS54122這款低噪聲3A電源的性能。

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背景

TPS54122EVM（PWR201）旨在幫助設(shè)計工程師評估TPS54122（開關(guān)器 + LDO）在自身電路應(yīng)用中的可行性。該評估模塊采用3.5mm x 5.5mm熱增強型QFN封裝，內(nèi)置PowerPad?，包含了低噪聲3A電源解決方案所需的所有外部組件。開關(guān)器和LDO都具備獨立的保護和控制功能，如軟啟動、內(nèi)部電流限制、熱關(guān)斷、電源良好信號和使能電路。

與獨立的開關(guān)器和LDO拓撲相比，該評估模塊展示了使用TPS54122進行設(shè)計時在印刷電路板空間節(jié)省方面的優(yōu)勢。集成的開關(guān)器（SW）和LDO經(jīng)過優(yōu)化，可實現(xiàn)高效率和低輸出噪聲。補償組件位于集成電路（IC）外部，外部電阻分壓器允許對開關(guān)器和LDO的輸出電壓進行調(diào)整。開關(guān)頻率由外部控制，該評估模塊的標(biāo)稱開關(guān)頻率設(shè)置為480kHz。

模塊設(shè)置

輸入和輸出連接

• J1（Vin）：輸入電源連接器。輸入電源的正輸入線和接地回路線應(yīng)絞合在一起，并盡可能短，以減少EMI傳輸。如果電源線長度超過6英寸，應(yīng)在J1和J2之間添加額外的大容量電容，例如47μF的電解電容，可改善TPS54122的瞬態(tài)響應(yīng)。
• J2（PGND）：輸入電源接地連接器，同樣需注意減少EMI傳輸。
• J3（LDO VOUT）：LDO的輸出，默認設(shè)置為1.8V。若通過J5加載LDO，J3可作為LDO輸出電容的開爾文連接。
• J4（LDO VOUT GND）：低噪聲接地連接器，連接到LDO的接地端。
• J5（LDO VOUT SMA）：LDO輸出電壓的SMA連接器，該連接器在TPS54122EVM（PWR201）上未安裝，可用于更精確的PSRR和噪聲測量。
• J6（DC - DC OUT SMA）：開關(guān)穩(wěn)壓器輸出電壓的SMA連接器，同樣未安裝，可用于更精確的PSRR和噪聲測量。
• JP1（LDO EN）：LDO使能跳線，可通過開關(guān)器的輸出或電源良好信號來使能LDO。
• JP2（SW TO LDO）：開關(guān)轉(zhuǎn)換器輸出與LDO輸入之間的跳線連接，正常運行時需要短路跳線。
• JP3（LDO VBIAS）：VIN與LDO Vbias之間的跳線連接。
• JP4（SW EN）：開關(guān)轉(zhuǎn)換器使能跳線，不連接時使能開關(guān)器輸出，安裝短路跳線則禁用。
• TP1（VIN）：輸入電源測試點，連接到開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入電源。
• TP2（GND）：干凈接地測試點，連接到LDO接地的干凈接地。
• TP3（SW GND）：電源接地測試點，連接到開關(guān)穩(wěn)壓器的電源接地。
• TP4（LDO PG）：LDO電源良好測試點，連接到LDO的電源良好開漏標(biāo)志。

模塊修改

開關(guān)器輸出電壓設(shè)置

開關(guān)器的輸出電壓由R5和R6組成的電阻分壓器設(shè)置。對于特定輸出電壓，R5的值可通過公式(R 5=6.2 k Omega timesleft[left(SW_{vour } / 0.827 Vright) cdot 1right])計算。為獲得最佳PSR和噪聲性能，SW輸出應(yīng)比LDO輸出高0.5V。

LDO輸出電壓設(shè)置

LDO的輸出電壓由R1和R2組成的外部電阻分壓器設(shè)置。R1的值可通過公式(R 1=10 k Omegaleft(LDO V_{ox, tau}-0.8 Vright) /(0.8 V))計算。為獲得最佳PSR和噪聲性能，LDO輸出應(yīng)比SW輸出低0.5V。

開關(guān)器慢啟動時間

可通過改變C17的值來調(diào)整慢啟動時間，計算公式為(C 17(n F)=t{s s}(m s) × I{s s}(mu A) / V_{r e l}(V))。

LDO啟動

可通過改變C7的值來調(diào)整LDO的啟動時間，計算公式為(C 7(nF)=t{ss}(ms) × l{(N)}(mu A) / V_{(mu B)}(V))。

設(shè)備互連

• 關(guān)閉輸入電源，確保其輸出電壓設(shè)置為所需值（小于5.5V），電流限制設(shè)置為約5A。
• 將輸入電源的正電壓線連接到J1（VIN），接地線連接到J2（PGND）。
• 在LDO OUT和GND之間使用J3和J4連接0 - 3A的負載。
• 在JP3上放置短路跳線，將LDO VBIAS連接到VIN。
• 在JP2上放置短路跳線，將“DC - DC OUT”連接到“LDO IN”。
• 通過移除JP1上的短路跳線禁用LDO輸出。

模塊操作

• 打開輸入電源，驗證開關(guān)器輸出電壓接近2.2V，LDO輸出接近0V。
• 在JP1上放置短路跳線以啟用LDO輸出。
• 驗證LDO輸出電壓為1.8V。
• 根據(jù)測試需要改變負載電流和VIN電壓。
• 進行必要的修改以復(fù)制最終應(yīng)用的所需規(guī)格，并相應(yīng)地重新測試。

測試結(jié)果

輸出噪聲

圖1展示了在(V{IN}=5 ~V)、(LDO OUT =1.8 ~V)、(SW OUT =2.2 ~V)、(I{OUT }=50 ~mA)、(Fswitching =480 kHz)以及各種輸出電容條件下，TPS54122EVM的輸出電壓噪聲頻譜。

輸出電壓紋波

圖2展示了在(V{IN}=5 ~V)、(SW OUT =2.2 ~V)、(LDO OUT =1.8 ~V)、(I{OUT }=0 ~mA)、(F switching =480 kHz)條件下，LDO和開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓紋波。

輸出開啟

圖3 - 5分別展示了開關(guān)器和LDO在啟動過程中的輸出電壓情況。

負載瞬態(tài)

圖6展示了TPS54122對負載瞬態(tài)的響應(yīng)，電流從最大額定負載的25%躍變到75%，輸入電壓為5V。

DC - DC效率

圖7展示了在環(huán)境溫度為25°C、(V_{IN}=3.3 ~V)、開關(guān)頻率為1MHz條件下，TPS54122的效率。

電路板布局

TPS54122評估板采用4層布局，旨在盡可能將LDO的模擬接地與開關(guān)器的噪聲隔離開來。關(guān)鍵模擬電路如分壓器、降噪電容、輸入和輸出電容都連接到低噪聲模擬接地層。

• 頂層：包含LDO的模擬接地、開關(guān)器一側(cè)的部分輸出電源接地以及大部分外部組件。
• 第一層內(nèi)部層：連接到IC的電源焊盤和模擬接地，主要用于功率耗散，還包含開關(guān)器的輸入電壓平面。
• 第二層內(nèi)部層：主要用于模擬接地，通過在中心制作一個小的隔離電源接地平面，減少與模擬接地的電容耦合，以屏蔽LDO接地免受開關(guān)節(jié)點噪聲的影響。
• 底層：電感（L1）和開關(guān)器的輸出電容（C9、C10）靠近中心位置，大部分剩余表面積連接到模擬接地，并通過過孔與頂層和內(nèi)部層連接。

原理圖與物料清單

原理圖展示了TPS54122評估板的電路連接，物料清單詳細列出了評估板所使用的各種組件，包括電容、電阻、電感、連接器等的規(guī)格和型號。

總結(jié)

德州儀器的TPS54122EVM - 201評估模塊為工程師提供了一個全面的平臺，用于評估TPS54122低噪聲3A電源的性能。通過合理的設(shè)置、操作和測試，工程師可以深入了解該模塊的特性，并將其應(yīng)用于實際的電路設(shè)計中。在使用過程中，工程師們需要嚴格遵循相關(guān)的安全和操作規(guī)范，以確保設(shè)備的正常運行和自身的安全。你在實際應(yīng)用中是否也遇到過類似的電源模塊設(shè)計問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。