TPS54380EVM-001評(píng)估模塊：設(shè)計(jì)、測(cè)試與應(yīng)用全解析

在電子工程師的日常工作中，電源管理模塊的設(shè)計(jì)與評(píng)估是一項(xiàng)重要任務(wù)。今天，我們就深入探討一下德州儀器（TI）的TPS54380EVM-001評(píng)估模塊，從它的背景特性、測(cè)試結(jié)果到實(shí)際應(yīng)用，全方位了解其性能和使用方法。

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一、產(chǎn)品概述

1.1 背景與特性

TPS54380是一款用于負(fù)載需要兩個(gè)或更多電壓的跟蹤式直流 - 直流轉(zhuǎn)換器，在微處理器、DSP和FPGA的核心與I/O電源供應(yīng)等應(yīng)用中，能提供精確的電源排序。例如，在這些設(shè)備的上電和下電序列中，核心電壓和I/O電壓通常需要特定的關(guān)系，TPS54380就能夠?qū)崿F(xiàn)直接跟蹤、比例跟蹤以及與第二個(gè)電源的電壓排序。

TPS54380EVM-001是一款雙通道評(píng)估模塊，充分展示了TPS54380在跟蹤和排序核心與I/O電壓方面的靈活性。它的核心電壓由TPS54380產(chǎn)生，標(biāo)稱值為1.8V，而3.3V的I/O電壓則由TPS2013分配開關(guān)提供。該評(píng)估模塊的額定輸入電壓范圍為3.0至5.5V，輸出電流范圍為：核心 -3A至3A，I/O 0 - 1.5A。

TPS54380的一大亮點(diǎn)是其開關(guān)頻率標(biāo)稱設(shè)置為700kHz，這使得可以使用小尺寸的1.0μH輸出電感器，有助于減小PCB面積。同時(shí)，MOSFET集成在TPS54380封裝內(nèi)部，無(wú)需外部MOSFET及其相關(guān)驅(qū)動(dòng)器，低導(dǎo)通電阻的MOSFET保證了高效率，并有助于在高輸出電流時(shí)降低結(jié)溫。此外，補(bǔ)償組件位于IC外部，可實(shí)現(xiàn)可調(diào)輸出電壓和定制化的環(huán)路響應(yīng)。

1.2 性能規(guī)格總結(jié)

TPS54380EVM-001的性能規(guī)格在特定條件下有明確表現(xiàn)。在輸入電壓為3.3V、輸出電壓為1.8V、環(huán)境溫度為25°C且I/O輸出無(wú)負(fù)載的情況下，其輸入電壓范圍為3.0至5.5V，輸出電壓設(shè)定點(diǎn)為0.9至3.3V，輸出電流范圍為 -3至3A。線路調(diào)節(jié)為±0.1%，負(fù)載調(diào)節(jié)為±0.2%。負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)中，電壓變化在不同電流階躍下有特定值，恢復(fù)時(shí)間為120μs。環(huán)路帶寬在輸入電壓為3V時(shí)為50kHz，5.5V時(shí)為80kHz；相位裕度在3V時(shí)為62°，5.5V時(shí)為46°。輸入紋波電壓為50至200mVPP，輸出紋波電壓為6至10mVPP，最大效率在輸入電壓為5.0V、輸出電壓為1.8V、輸出電流為1.0A時(shí)可達(dá)89%。

1.3 修改與調(diào)整

這款評(píng)估模塊雖然設(shè)計(jì)用于展示TPS54380的小尺寸優(yōu)勢(shì)，但也保留了一定的可修改性。通過(guò)改變R2的值，可以將輸出電壓在0.9至3.3V之間調(diào)整，計(jì)算公式為(R 2=10 k Omega × frac{0.891 V}{V{O}-0.891 V})。同時(shí)，最小輸出電壓受設(shè)備最小可控導(dǎo)通時(shí)間（200ns）限制，可通過(guò)公式(V{OUTMIN }=200 n sec × f{S} × V{INMAX })近似計(jì)算。另外，通過(guò)改變R4的值，可以將開關(guān)頻率在280kHz至700kHz之間調(diào)整，但降低開關(guān)頻率會(huì)增加輸出紋波，除非增加L1的值。

在電源排序方面，通過(guò)選擇不同的R6 - R7電阻分壓器比率，可以設(shè)置不同的電源排序場(chǎng)景。例如，當(dāng)(frac{R 6}{R 7}=frac{R 1}{R 2})時(shí)，核心電壓跟蹤I/O電壓；當(dāng)(frac{R 6}{R 7}=frac{left(V_{I / O}-0.891right)}{8.891})時(shí)，核心與I/O電壓呈比例關(guān)系；當(dāng)(frac{R 6}{R 7}

二、測(cè)試設(shè)置與結(jié)果

2.1 輸入/輸出連接

TPS54380EVM-001有三個(gè)輸入/輸出連接器：(V{1}) J1、(V{O}) I/O J2和(V_{O}) Core J3。需要一個(gè)能夠提供5A電流的電源通過(guò)一對(duì)20AWG電線連接到J1，負(fù)載通過(guò)一對(duì)16AWG電線連接到J2，最大負(fù)載電流能力應(yīng)為3A。為了減少線路損耗，應(yīng)盡量減小電線長(zhǎng)度。測(cè)試點(diǎn)TP6方便連接示波器電壓探頭來(lái)監(jiān)測(cè)輸出電壓。

當(dāng)使用外部電源作為(V_{1})時(shí)，可能需要根據(jù)電源的輸出阻抗和連接線長(zhǎng)度添加額外的大容量電容器。在測(cè)試中，使用了一個(gè)470μF、16V的額外輸入電容器。

2.2 效率

TPS54380EVM - 001的效率在負(fù)載電流約為1A至2A時(shí)達(dá)到峰值，隨著負(fù)載電流接近滿載而降低。在環(huán)境溫度為25°C時(shí)，MOSFET的漏源電阻隨溫度的變化會(huì)導(dǎo)致在較高環(huán)境溫度下效率降低。另外，由于MOSFET的柵極和開關(guān)損耗，700kHz的開關(guān)頻率下效率會(huì)略低于較低開關(guān)頻率。

2.3 功耗

PWP封裝的低結(jié)殼熱阻以及良好的電路板布局，使得TPS54380EVM - 001在輸出全額定負(fù)載電流時(shí)能夠保持安全的結(jié)溫。在3.3V輸入源和3A負(fù)載的情況下，結(jié)溫約為60°C，殼溫約為55°C。

2.4 輸出電壓調(diào)節(jié)

輸出電壓的負(fù)載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)在環(huán)境溫度為25°C時(shí)表現(xiàn)良好。負(fù)載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)的圖示展示了不同負(fù)載和輸入電壓下輸出電壓的穩(wěn)定性。

2.5 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

TPS54380EVM - 001對(duì)負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)表現(xiàn)為在電流從最大額定負(fù)載的25%階躍到75%時(shí)，輸出電壓的總峰 - 峰變化情況，包括紋波和噪聲。

2.6 環(huán)路特性

在最小和最大工作電壓下，TPS54380EVM - 001的環(huán)路響應(yīng)特性通過(guò)增益和相位圖展示。不同輸入電壓下，環(huán)路帶寬和相位裕度有所不同。

2.7 輸出電壓紋波和輸入電壓紋波

在輸入電壓為3.3V、輸出電流為額定滿載3A的情況下，測(cè)量了輸出電壓紋波和輸入電壓紋波。這些紋波的大小反映了電源模塊的穩(wěn)定性。

2.8 上電和下電

TPS54380調(diào)節(jié)器提供了多種核心和I/O電壓的上電和下電排序模式。通過(guò)選擇不同的電阻分壓器R6/R7比率，可以設(shè)置核心電壓在上下電時(shí)的斜率與I/O電壓的關(guān)系。例如，當(dāng)(R 6 = R 1)且(R 7 = R 2)時(shí)，核心電壓跟蹤I/O電壓；使用跳線JP2還可以實(shí)現(xiàn)比例電源排序和改變核心電壓的上升和下降順序。

三、電路板布局

TPS54380EVM - 001的電路板布局采用了典型的用戶應(yīng)用方式。頂層和底層采用1.5oz銅，頂層包含(V{1})、(V{O})和(V{(phase) })的主要電源走線，以及TPS54380其余引腳的連接和大面積的接地層。底層包含接地和(V{O})銅區(qū)域以及一些信號(hào)走線。

輸入去耦電容器（C5和C9）、偏置去耦電容器（C4）和自舉電容器（C3）都盡可能靠近IC放置，補(bǔ)償組件也保持與IC的近距離，補(bǔ)償電路連接到調(diào)節(jié)點(diǎn)的輸出電壓，毗鄰高頻旁路輸出電容器。同時(shí)，頂層和底層的接地走線通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連接，包括在TPS54380器件正下方的10個(gè)過(guò)孔，為PowerPAD焊盤到接地提供了熱路徑。

四、原理圖與物料清單

4.1 原理圖

原理圖展示了TPS54380EVM - 001的電路結(jié)構(gòu)，它是理解模塊工作原理和進(jìn)行調(diào)試的重要依據(jù)。

4.2 物料清單

物料清單詳細(xì)列出了模塊中使用的各種元件，包括電容器、電阻器、電感器、連接器、開關(guān)、IC等。在組裝和維護(hù)模塊時(shí)，需要注意這些元件的規(guī)格和參數(shù)，同時(shí)要遵守一些組裝要求，如注意靜電防護(hù)、保證組件清潔無(wú)污染物、符合工藝標(biāo)準(zhǔn)等。

綜上所述，TPS54380EVM - 001評(píng)估模塊在電源管理設(shè)計(jì)中具有重要的參考價(jià)值。通過(guò)對(duì)其性能的詳細(xì)測(cè)試和了解，電子工程師可以更好地將TPS54380應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中。在實(shí)際使用過(guò)程中，大家是否也遇到過(guò)類似模塊的調(diào)試難題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。