TPS54314 3 - A 內(nèi)部補(bǔ)償調(diào)節(jié)器評(píng)估模塊深度解析

一、引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能和應(yīng)用至關(guān)重要。TPS54314 3 - A 內(nèi)部補(bǔ)償調(diào)節(jié)器評(píng)估模塊（EVM）作為一款具有代表性的產(chǎn)品，為工程師們提供了一個(gè)便捷的評(píng)估和開發(fā)平臺(tái)。本文將深入剖析該評(píng)估模塊的特點(diǎn)、性能、測(cè)試結(jié)果以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，幫助電子工程師更好地了解和應(yīng)用這款產(chǎn)品。

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二、TPS54314 EVM 概述

2.1 背景

TPS54314EVM 采用 TPS54314 同步降壓調(diào)節(jié)器，能夠在 3V 至 6V 的輸入電壓范圍內(nèi)，為 0A 至 3A 的負(fù)載提供 1.8V 的穩(wěn)定輸出。其電路的電氣組件僅占用不到 0.6 平方英寸的電路板空間，還提供了額外的焊盤以支持多個(gè)輸入和輸出電容器。此外，通過跳線可輕松將開關(guān)頻率從 350kHz 切換到 550kHz。

TPS54314 具有兩個(gè)關(guān)鍵特性，顯著減少了所需的額外組件。一是 MOSFET 集成在芯片封裝內(nèi)，無需外部 MOSFET 及其相關(guān)驅(qū)動(dòng)器；二是用于穩(wěn)定反饋環(huán)路的補(bǔ)償組件也集成在芯片內(nèi)部。不過，由于內(nèi)部補(bǔ)償固定，需要通過正確選擇輸出電感器和輸出電容器來確保環(huán)路穩(wěn)定性。具體的選擇指南可參考德州儀器的應(yīng)用報(bào)告 SLVA111。

2.2 性能規(guī)格總結(jié)

三、TPS54314 EVM 的修改

3.1 通用修改

TPS54314EVM 不僅展示了 TPS54314 電氣組件占用空間小的特點(diǎn)，還可用于評(píng)估不同的輸出濾波器?？梢酝ㄟ^替換 L1 電感器，或使用 C2 和 C10 電容器的可選焊盤來實(shí)現(xiàn)。由于反饋補(bǔ)償由 TPS54314 的內(nèi)部電路固定，正確選擇輸出電感器和輸出電容器可確保穩(wěn)定性。工程師可借助 SWIFT Designer 軟件工具或德州儀器的應(yīng)用筆記 SLVA111 來輔助選擇輸出濾波器，這兩個(gè)資源均可從德州儀器網(wǎng)站下載。

3.2 開關(guān)頻率修改

TPS54314 默認(rèn)開關(guān)頻率為 700kHz。通過移除頻率微調(diào)電阻 R3，并將跳線 JP1 上的分流器放置在合適位置，可輕松將 EVM 配置為 350kHz 或 550kHz 的開關(guān)頻率。此外，通過改變 RT（R3）的值，開關(guān)頻率可在 280kHz 至 700kHz 之間進(jìn)行微調(diào)，頻率與 RT 值的關(guān)系可參考圖 1 - 1。

3.3 輸出電壓修改

3.4 慢啟動(dòng)修改

TPS54314EVM 的慢啟動(dòng)時(shí)間可通過改變 C1 的值來修改。可使用公式 (C{1}=frac{top{SS} × 5 mu A}{0.891 V}) 計(jì)算特定慢啟動(dòng)時(shí)間對(duì)應(yīng)的 C1 值。當(dāng) C1 開路時(shí)，慢啟動(dòng)時(shí)間通常為 3.6ms，且慢啟動(dòng)時(shí)間不能快于 3.6ms。

四、測(cè)試設(shè)置與結(jié)果

4.1 輸入/輸出連接

TPS54314EVM 有四個(gè)輸入/輸出連接點(diǎn)：J1（VI 和 GND）和 J2（ (V_{O}) 和 GND）。需使用一對(duì) 20AWG 電線將能夠提供 3A 電流的電源連接到 J1，同樣使用 20AWG 電線將負(fù)載連接到 J2。為減少電線損耗，應(yīng)盡量縮短電線長度。測(cè)試點(diǎn) TP8 方便使用示波器電壓探頭監(jiān)測(cè)輸出電壓。

4.2 效率

在 5V 輸入源下，TPS54314EVM 的效率在負(fù)載電流約為 1A 時(shí)達(dá)到峰值，滿載時(shí)效率降至約 85%。圖 2 - 2 展示了在 5V 和 3.3V 輸入、25°C 環(huán)境溫度下的典型效率。由于 MOSFET 的漏源電阻隨溫度變化，環(huán)境溫度升高時(shí)效率會(huì)降低；較低的開關(guān)頻率可減少 MOSFET 的柵極和開關(guān)損耗，從而使效率略有提高；5V 輸入時(shí)效率略高，因?yàn)檩^高的輸入電壓為功率 MOSFET 提供了更多的驅(qū)動(dòng)電壓，降低了漏源電阻。圖 2 - 3 顯示了總電路板損耗。

4.3 熱性能

圖 2 - 4 展示了在 25°C 環(huán)境溫度下，結(jié)溫與負(fù)載電流的關(guān)系。PWP 封裝的低結(jié)殼熱阻以及良好的電路板布局有助于在高輸出電流時(shí)保持較低的結(jié)溫。在 5V 輸入源和 3A 負(fù)載下，結(jié)溫約為 45°C。

4.4 輸出電壓調(diào)節(jié)

圖 2 - 5 顯示了在 5V 輸入和 25°C 環(huán)境溫度下的輸出電壓負(fù)載調(diào)節(jié)情況。在 0A 至 3A 的負(fù)載范圍內(nèi)，輸出電壓變化小于 0.35%。

4.5 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

圖 2 - 6 展示了 TPS54314EVM 對(duì)負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)。負(fù)載在 0A 和 3A 之間切換時(shí)，輸出電壓偏離平均值約 -60mV（-3.3%）和 70mV（3.9%），并在 30μs 內(nèi)回到 ±2% 的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

4.6 環(huán)路特性

圖 2 - 7 顯示了在 5V 輸入和 3A 負(fù)載下的環(huán)路增益和相位。環(huán)路交叉頻率約為 70kHz，相位裕度約為 49°。

4.7 輸出紋波電壓

圖 2 - 8 展示了在 5V 輸入電壓和 3A 負(fù)載電流下的輸出紋波電壓。TPS54314EVM 的典型輸出電壓紋波小于 (20 mV_{pp}) ，降低開關(guān)頻率會(huì)使輸出紋波電壓升高。

4.8 輸入紋波電壓

圖 2 - 9 顯示了 3A 負(fù)載下的輸入紋波電壓。在 5V 輸入電壓下，輸入紋波約為 (150 mV_{pp}) ，可通過增加輸入電容來降低輸入紋波電壓。

4.9 啟動(dòng)

圖 2 - 10 展示了 C1 開路時(shí) TPS54314EVM 的啟動(dòng)電壓波形。當(dāng)輸入電壓超過 2.9V 的啟動(dòng)閾值時(shí)，輸出電壓在 3.6ms 內(nèi)線性上升至 1.8V。輸出電壓達(dá)到最終值后，開漏電源良好信號(hào)變?yōu)楦唠娖健？墒褂猛獠柯龁?dòng)電容 C1 延長啟動(dòng)時(shí)間，具體編程方法可參考 1.3.4 節(jié)。注意，不應(yīng)使用 J2 上的短路跳線來啟用 EVM，應(yīng)使用外部使能信號(hào)，以免在 SS/ENA 引腳上產(chǎn)生過大的電壓瞬變。

五、電路板布局

TPS54314EVM 的印刷電路板（PWB）由兩層 1.5oz 銅制成。頂層的下半部分用作電源接地平面，底層用作安靜（模擬）接地平面。寬電源接地平面可防止電源接地電流影響負(fù)載調(diào)節(jié)。兩個(gè)接地平面在 U1 處連接，避免接地電流在模擬和電源接地之間注入噪聲。在 TPS54314 器件下方的散熱焊盤區(qū)域使用了 10 個(gè)過孔，將其連接到電路板背面的散熱平面。輸入電容（C6）、偏置去耦電容（C7）和自舉電容（C5）都盡可能靠近 IC 放置。

六、原理圖與物料清單

6.1 原理圖

TPS54314EVM 的原理圖如圖 4 - 1 所示，它清晰地展示了各個(gè)組件之間的連接關(guān)系，為工程師進(jìn)行電路分析和故障排查提供了重要依據(jù)。

6.2 物料清單

七、總結(jié)

TPS54314 3 - A 內(nèi)部補(bǔ)償調(diào)節(jié)器評(píng)估模塊具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如集成度高、占用電路板空間小、性能穩(wěn)定等。通過對(duì)其進(jìn)行修改和測(cè)試，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。在使用過程中，需要注意輸入輸出連接、工作條件以及安全事項(xiàng)，以確保模塊的正常運(yùn)行。希望本文能為電子工程師在使用 TPS54314EVM 時(shí)提供有益的參考。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似電源管理模塊的問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。