TPS54020 SWIFT? 降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊使用指南

在電子設計領域，電源轉(zhuǎn)換模塊的性能和穩(wěn)定性至關重要。TPS54020 SWIFT? 降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊（EVM）為工程師提供了一個便捷的平臺，用于評估和驗證該轉(zhuǎn)換器的性能。本文將詳細介紹該評估模塊的相關信息，包括背景、性能規(guī)格、測試設置和結果等內(nèi)容。

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一、模塊背景

TPS54020 是一款直流 - 直流轉(zhuǎn)換器，能夠提供高達 10A 的輸出電流。它采用了分離輸入電源軌設計，為功率級和控制電路分別提供獨立的輸入電壓。功率級輸入（PVIN）的額定電壓范圍為 1.6V 至 17V，控制輸入（(V{IN})）的額定電壓范圍為 4.5V 至 17V。該評估模塊設計并測試時將 PVIN 連接到 (V{IN})，其額定輸入電壓范圍為 8V 至 17V（啟動電壓為 7.5V），輸出電流范圍為 0A 至 10A。

其開關頻率通過一個電阻外部設置，標稱值為 500kHz。內(nèi)部集成了高端和低端 MOSFET 以及柵極驅(qū)動電路，MOSFET 的低漏源導通電阻使得 TPS54020 能夠?qū)崿F(xiàn)高效率，并有助于在高輸出電流時保持較低的結溫。補償組件位于集成電路（IC）外部，通過外部分壓器可實現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)。此外，該轉(zhuǎn)換器還提供了可調(diào)的慢啟動和欠壓鎖定輸入功能。評估模塊的絕對最大輸入電壓為 20V，但建議的最大輸入電壓為 17V，不應超過此值。

二、性能規(guī)格總結

三、模塊修改

3.1 輸出電壓設定點

輸出電壓由 R7 和 R10 組成的電阻分壓器網(wǎng)絡設定，其中下部分壓電阻 R10 應保持為 2.55kΩ 不變。要改變評估模塊的輸出電壓，需要改變電阻 R7 的值，通過公式 (R 7=frac{left(V{out }-V{ref }right) × R 10}{V{ref }}) 計算 R7 的值，可使輸出電壓在 0.6V 至 5V 之間變化。同時，(V{IN}) 必須在一定范圍內(nèi)，以確保最小導通時間大于 150ns。

3.2 慢啟動時間

慢啟動時間可通過改變 C14 的值進行調(diào)整，使用公式 (C 14=frac{T{S S} × I{S S}}{V{ref }}) 計算所需的 C14 值，其中 (T{SS}) 為期望的慢啟動時間，(I{SS}) 為慢啟動充電電流（標稱值為 2.3μA），(V{REF}) 為參考電壓（0.6V）。評估模塊使用 (C14 = 0.1mu F) 時，慢啟動時間約為 26ms。

3.3 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）

欠壓鎖定（UVLO）可通過外部的 R6 和 R11 進行調(diào)整。評估模塊使用 (R 6 = 69.8kΩ) 和 (R 11 = 13.3kΩ) 時，啟動電壓為 7.5V，停止電壓為 7.1V。可使用公式 (R 6=frac{V{Start } timesleft(frac{V{E N falling }}{V{E N rising }}right)-V{Stop }}{I{p} timesleft(1-frac{V{E N} E{E N rising }}{V{E N rising }}right)+I{h}}) 和 (R 11=frac{R 6 × V{E N falling }}{V{Stop }-V{E N falling }+R 6 timesleft(I{p}+I{h}right)}) 計算不同啟動和停止電壓所需的電阻值。

3.4 輸入電壓軌

評估模塊設計為可適應功率級和控制邏輯的不同輸入電壓水平。在大多數(shù)應用中，通過 J2 上的跳線將 PVIN 和 (V_{IN}) 輸入連接在一起，此時只需在 J1 處提供一個輸入電壓。若需要分離這兩個輸入電壓軌，可移除 J2 上的跳線，然后在 J1 和 J4 處分別提供兩個輸入電壓。

四、測試設置和結果

4.1 輸入 / 輸出連接

評估模塊配備了輸入 / 輸出連接器和測試點。需將能夠提供 5A 電流的電源連接到 J1，建議使用一對 20 - AWG 的電線。J2 上的跳線應跨接在引腳 1 和 2 之間。負載應連接到 J3，同樣建議使用一對 20 - AWG 的電線，負載需能夠在 1.8V 下吸收 10A 電流。應盡量減小電線長度以減少電線中的損耗。測試點 TP1 用于監(jiān)測 PVIN 輸入電壓，TP6 提供方便的接地參考；TP5 用于監(jiān)測輸出電壓，TP8 為接地參考。

4.2 效率

評估模塊的效率在負載電流為 3A 至 6A 之間達到峰值，隨后隨著負載電流接近滿載而降低。環(huán)境溫度升高時，由于內(nèi)部 MOSFET 的漏源電阻 (R_{DS_ON}) 隨溫度變化，效率會降低。

4.3 輸出電壓負載調(diào)整率

輸出電壓負載調(diào)整率反映了輸出電壓隨負載電流變化的情況，通過相關測試曲線可直觀了解不同輸入電壓下輸出電壓隨負載電流的變化趨勢。

4.4 輸出電壓線性調(diào)整率

輸出電壓線性調(diào)整率體現(xiàn)了輸出電壓隨輸入電壓變化的特性，通過測試曲線可觀察到不同輸出電流下輸出電壓隨輸入電壓的變化情況。

4.5 負載瞬態(tài)響應

負載瞬態(tài)響應測試展示了評估模塊在負載電流突然變化時的響應情況，包括電壓變化和恢復時間等參數(shù)。

4.6 控制環(huán)路響應

控制環(huán)路響應特性通過增益和相位圖展示，可幫助工程師了解評估模塊在特定輸入電壓和負載電流下的環(huán)路性能。

4.7 輸出電壓紋波

輸出電壓紋波是衡量輸出電壓穩(wěn)定性的重要指標，測試結果顯示了在額定滿載（10A）和特定輸入電壓（(V_{IN}=12V)）下的輸出電壓紋波情況。

4.8 輸入電壓紋波

輸入電壓紋波反映了輸入電壓的波動情況，測試結果展示了在額定滿載（10A）和特定輸入電壓（(V_{IN}=12V)）下的輸入電壓紋波。

4.9 啟動

評估模塊的啟動方式有兩種，一種是輸入電壓達到 UVLO 閾值時輸出電壓開始上升；另一種是通過控制 EN 引腳，當 EN 電壓達到使能閾值時，啟動序列開始，輸出電壓上升到外部設定值（1.8V）。

4.10 預偏置啟動

TPS54020 設計為可在預偏置輸出的情況下啟動，即輸出電壓在慢啟動序列開始時不會放電到地，而是在慢啟動電壓達到預偏置母線電壓后開始向調(diào)節(jié)值增加。

4.11 打嗝模式電流限制

評估模塊具有打嗝模式電流限制功能，當發(fā)生過流事件時，設備會關閉并重新啟動。

五、電路板布局

評估模塊的電路板采用 4 層設計，所有層均為 2 - oz 銅。頂層包含 PVIN、(V_{IN})、(VOUT) 和 VPHASE 的主要功率走線，以及 TPS54020 的幾個模擬引腳連接和大面積的 PGND。兩個內(nèi)層主要包含功率平面，包括 PGND、(VOUT)、PVIN 和 VPHASE。底層包含其余的模擬電路連接以及與內(nèi)層類似的功率平面。頂層和底層以及內(nèi)層的功率和接地平面通過多個過孔連接，包括 TPS54020 器件下方的幾個過孔，以提供從頂層功率平面到其他層功率平面的熱路徑。輸入去耦電容 C4 和自舉電容 C5 盡可能靠近 IC 放置，電壓設定點電阻分壓器組件也靠近 IC。連接到電壓分壓器網(wǎng)絡的位置定義了調(diào)節(jié)點，即輸出連接器 J3 處的銅質(zhì) (VOUT) 走線。此外，TPS54020 還包含一個額外的輸入大容量電容，以有效降低從輸入電源到開關的源阻抗。關鍵模擬電路，如電壓設定點分壓器、頻率設定電阻、慢啟動電容和補償組件，通過與功率接地平面分離的接地走線連接到模擬地（AGND）。

六、原理圖和物料清單

6.1 原理圖

評估模塊的原理圖展示了各個組件之間的連接關系，包括電源輸入、輸出、控制信號等。

6.2 物料清單

物料清單詳細列出了評估模塊所使用的各種組件，包括電容、電阻、電感、連接器、測試點、IC 等，以及它們的參數(shù)、尺寸、型號和制造商等信息。

綜上所述，TPS54020 SWIFT? 降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊為工程師提供了一個全面的平臺，用于評估和驗證該轉(zhuǎn)換器的性能。通過對模塊的修改和測試，工程師可以根據(jù)具體應用需求進行優(yōu)化和調(diào)整。你在實際使用該評估模塊時是否遇到過一些特殊的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。