TPS54418EVM - 375評(píng)估模塊：高效DC - DC轉(zhuǎn)換解決方案

一、引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DC - DC轉(zhuǎn)換器是一種關(guān)鍵的組件，用于將一種直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓。德州儀器（Texas Instruments）的TPS54418EVM - 375評(píng)估模塊，為工程師提供了一個(gè)便捷的平臺(tái)，用于評(píng)估TPS54418這款4A的SWIFT?調(diào)節(jié)器的性能。本文將深入介紹該評(píng)估模塊的背景、性能規(guī)格、測(cè)試設(shè)置與結(jié)果、電路板布局以及原理圖和物料清單等內(nèi)容。

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二、TPS54418背景

2.1 基本參數(shù)

TPS54418是一款DC - DC轉(zhuǎn)換器，能夠在2.95V至6V的輸入電壓源下提供高達(dá)4A的輸出電流。評(píng)估模塊的額定輸入電壓范圍為3V至6V（啟動(dòng)電壓為3.1V），輸出電流范圍為0A至4A。其開關(guān)頻率外部設(shè)定為標(biāo)稱1000kHz，內(nèi)部集成了高端和低端MOSFET以及柵極驅(qū)動(dòng)電路。

2.2 性能優(yōu)勢(shì)

MOSFET的低漏源導(dǎo)通電阻使得TPS54418能夠?qū)崿F(xiàn)高效率，并有助于在高輸出電流時(shí)保持較低的結(jié)溫。補(bǔ)償組件位于集成電路（IC）外部，通過(guò)外部分壓器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)。此外，該芯片還提供可調(diào)的軟啟動(dòng)和欠壓鎖定輸入功能。TPS54418EVM - 375的絕對(duì)最大輸入電壓為7V。

三、性能規(guī)格總結(jié)

3.1 主要參數(shù)

在輸入電壓(V_{IN}=3.3V)、輸出電壓為1.8V（除非另有說(shuō)明）、環(huán)境溫度為25°C（除非另有注明）的條件下，TPS54418EVM - 375的性能規(guī)格如下：

• 輸入電壓工作范圍：3V至6V，啟動(dòng)電壓為3.1V，停止電壓為2.8V。
• 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)：1.8V。
• 輸出電流范圍：在(V_{IN}=3V)至6V時(shí)，為0A至4A。
• 線路調(diào)整率：在(I{O}=2A)、(V{IN}=3V)至6V時(shí)，為±0.05%。
• 負(fù)載調(diào)整率：在(V{IN}=3.3V)、(I{O}=0A)至4A時(shí)，為±0.08%。
• 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)：電流從1A到3A和從3A到1A變化時(shí)，恢復(fù)時(shí)間和電壓變化有相應(yīng)規(guī)定。
• 環(huán)路帶寬：在(V{IN}=3.3V)、(I{O}=4A)時(shí)，為35kHz。
• 相位裕度：在(V{IN}=3.3V)、(I{O}=4A)時(shí)，為74°。
• 輸入紋波電壓：在(I_{O}=4A)時(shí)，為150mVpp。
• 輸出紋波電壓：在(I_{O}=4A)時(shí)，為5mVpp。
• 輸出上升時(shí)間：6ms。
• 工作頻率：1000kHz。
• 最大效率：在(V{IN}=3.3V)、(I{O}=0.5A)時(shí)，為93.5%。

3.2 模塊修改

3.2.1 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)

通過(guò)改變電阻R7的值可以調(diào)整輸出電壓，計(jì)算公式為(R7 = 100kΩ × frac{0.8V}{V{OUT}-0.8V})。表3列出了一些常見輸出電壓對(duì)應(yīng)的R7值。需要注意的是，(V{IN})必須在一定范圍內(nèi)，以確保最小導(dǎo)通時(shí)間大于80ns，最大占空比小于92%。

3.2.2 軟啟動(dòng)時(shí)間

軟啟動(dòng)時(shí)間可以通過(guò)改變電容C7的值進(jìn)行調(diào)整，計(jì)算公式為(C7(nF)=frac{T{ss}(mS) × I{ss}(μA)}{V_{ref}(V)})。在評(píng)估模塊中，C7默認(rèn)設(shè)置為0.01μF，對(duì)應(yīng)的軟啟動(dòng)時(shí)間為4ms。

3.2.3 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）

可以使用R1和R2外部調(diào)整欠壓鎖定功能。評(píng)估模塊使用(R1 = 48.8kΩ)和(R2 = 32.4kΩ)設(shè)置啟動(dòng)電壓為3.1V，停止電壓為2.8V。可以使用相應(yīng)公式計(jì)算不同啟動(dòng)和停止電壓所需的電阻值。

四、測(cè)試設(shè)置與結(jié)果

4.1 輸入/輸出連接

TPS54418EVM - 375配備了輸入/輸出連接器和測(cè)試點(diǎn)。需要使用能夠提供3A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)20AWG電線連接到J4，負(fù)載的最大電流能力至少為4A。測(cè)試點(diǎn)TP1用于監(jiān)測(cè)(V_{IN})輸入電壓，TP2作為接地參考；TP6用于監(jiān)測(cè)輸出電壓，TP7作為接地參考。

4.2 效率

該評(píng)估模塊的效率在負(fù)載電流約為0.5A - 1A時(shí)達(dá)到峰值，隨后隨著負(fù)載電流接近滿載而降低。在較高環(huán)境溫度下，由于內(nèi)部MOSFET的漏源電阻隨溫度變化，效率可能會(huì)降低。

4.3 輸出電壓調(diào)節(jié)

• 負(fù)載調(diào)節(jié)：在環(huán)境溫度為25°C時(shí)，測(cè)量了TPS54418EVM - 375的負(fù)載調(diào)節(jié)情況。
• 線路調(diào)節(jié)：同樣在25°C環(huán)境下，展示了輸入電壓變化時(shí)的線路調(diào)節(jié)特性。

4.4 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

當(dāng)輸入電壓為3.3V時(shí)，電流從最大額定負(fù)載的25%躍變到75%，輸出電壓會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化，包括紋波和噪聲。

4.5 環(huán)路特性

在(V_{IN}=3.3V)、負(fù)載電流為4A的條件下，測(cè)量了TPS54418EVM - 375的環(huán)路響應(yīng)特性，包括增益和相位圖。

4.6 輸出電壓紋波和輸入電壓紋波

在輸出電流為額定滿載4A、(V_{IN}=3.3V)的情況下，分別測(cè)量了輸出電壓紋波和輸入電壓紋波。

4.7 上電過(guò)程

展示了兩種上電波形：一種是輸入電壓達(dá)到欠壓鎖定閾值時(shí)輸出電壓開始上升；另一種是通過(guò)跳線將EN接地抑制輸出，移除跳線后輸出電壓開始上升至設(shè)定值。

五、電路板布局

5.1 布局特點(diǎn)

TPS54418EVM - 375的電路板布局中，頂層包含(V{IN})、(V{OUT})和VPHASE的主要功率走線，以及TPS54418其余引腳的連接和大面積的接地區(qū)域。底層和內(nèi)部層僅包含接地平面，頂層接地區(qū)域通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與底層和內(nèi)部接地平面相連，包括在TPS54418器件正下方的四個(gè)過(guò)孔，以提供熱路徑。

5.2 元件位置

輸入去耦電容（C2和C3）和自舉電容（C6）都盡可能靠近IC放置。電壓設(shè)定點(diǎn)電阻分壓器組件也靠近IC，電壓分壓器網(wǎng)絡(luò)在調(diào)節(jié)點(diǎn)與輸出電壓相連，即靠近輸出連接器J4的銅質(zhì)(V_{OUT})走線處。根據(jù)評(píng)估模塊與輸入電源的連接情況，可能需要額外的輸入大容量電容。

5.3 估計(jì)電路面積

該設(shè)計(jì)中使用的組件的估計(jì)印刷電路板面積為(0.37in^{2}(239mm^{2}))，此面積不包括測(cè)試點(diǎn)和連接器。

六、原理圖和物料清單

6.1 原理圖

提供了TPS54418EVM - 375的詳細(xì)原理圖，展示了各個(gè)組件之間的連接關(guān)系。

6.2 物料清單

列出了評(píng)估模塊所需的所有組件，包括電容、電阻、電感、連接器、測(cè)試點(diǎn)、IC等，并提供了每個(gè)組件的數(shù)量、參考編號(hào)、值、描述、尺寸、零件編號(hào)和制造商等信息。

七、注意事項(xiàng)

7.1 使用范圍

必須在指定的輸入電壓范圍和輸出電流范圍內(nèi)操作該評(píng)估模塊，超出范圍可能導(dǎo)致意外操作和/或不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

7.2 溫度問題

在正常運(yùn)行期間，一些電路組件的外殼溫度可能會(huì)超過(guò)55°C，只要保持輸入和輸出范圍，評(píng)估模塊設(shè)計(jì)為在某些組件溫度高于60°C時(shí)仍能正常工作。在操作過(guò)程中，靠近這些組件放置測(cè)量探頭時(shí)要注意其可能會(huì)很燙。

7.3 安全與合規(guī)

該評(píng)估模塊僅用于工程開發(fā)、演示或評(píng)估目的，不被視為適合一般消費(fèi)者使用的成品。它可能不符合歐盟關(guān)于電磁兼容性、有害物質(zhì)限制（RoHS）、回收（WEEE）、FCC、CE或UL等指令的技術(shù)要求。

通過(guò)對(duì)TPS54418EVM - 375評(píng)估模塊的詳細(xì)介紹，工程師可以更好地了解其性能和特點(diǎn)，為實(shí)際設(shè)計(jì)提供參考。你在使用這個(gè)評(píng)估模塊的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。