TPS54310EVM 評估模塊：設(shè)計與性能全解析

在電子工程師的日常工作中，一款性能出色的評估模塊能夠極大地提升設(shè)計效率和產(chǎn)品質(zhì)量。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的 TPS54310EVM 評估模塊，看看它在電源設(shè)計領(lǐng)域能為我們帶來哪些驚喜。

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一、重要須知

在開始使用 TPS54310EVM 之前，有幾個重要的注意事項需要我們了解。TI 保留對其產(chǎn)品和服務(wù)進行更改和停產(chǎn)的權(quán)利，所以在下單前一定要獲取最新信息。同時，這款評估套件僅用于工程開發(fā)或評估目的，不適合商業(yè)使用，它可能在設(shè)計、營銷和制造相關(guān)的保護方面存在不足，也可能不符合歐盟電磁兼容性指令。

如果評估套件不符合用戶指南中的規(guī)格，可以在交付日期起 30 天內(nèi)退貨全額退款。用戶需要承擔產(chǎn)品正確安全處理的責任，并對 TI 因產(chǎn)品處理或使用產(chǎn)生的所有索賠進行賠償。而且，收到的產(chǎn)品可能未通過相關(guān)監(jiān)管認證，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)開放，用戶要注意靜電放電防護。

二、模塊概述

2.1 背景

TPS54310EVM 使用 TPS54310 同步降壓調(diào)節(jié)器，能在 4.0 V 至 6.0 V 的輸入范圍內(nèi)提供 3.3 V 的輸出，負載范圍為 0 A 至 3 A。其電路的電氣組件僅占用不到 0.55 平方英寸的電路板空間，還設(shè)有額外的焊盤支持多個輸入和輸出電容器。通過跳線可以輕松將開關(guān)頻率從 350 kHz 更改為 550 kHz。

值得一提的是，TPS54310 的 MOSFET 集成在封裝內(nèi)，無需外部 MOSFET 及其相關(guān)驅(qū)動器。低導(dǎo)通電阻的 MOSFET 使模塊具有高效率，有助于在高輸出電流時保持較低的結(jié)溫。外部的補償組件可實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整和定制化的環(huán)路響應(yīng)。

2.2 性能規(guī)格總結(jié)

三、模塊修改

3.1 通用修改

TPS54310EVM 旨在展示 TPS54310 電氣組件占用的小電路板空間。我們可以通過替換 L1 為不同的電感器，或使用 C2 和 C11 的可選焊盤來評估不同的輸出濾波器。但在更改輸出濾波器時，必須同時更改補償值以確保穩(wěn)定性?？梢允褂?SWIFT Designer 軟件工具或 TI 應(yīng)用筆記 SLVA109 來輔助計算補償組件，這兩個工具都可以在 TI 網(wǎng)站上下載。

3.2 開關(guān)頻率

TPS54310 默認開關(guān)頻率為 700 kHz。我們可以通過移除頻率微調(diào)電阻 R3，并將跳線 JP1 上的分流器放置在適當位置，輕松將其配置為 350 kHz 或 550 kHz。此外，通過改變 RT（R3）的值，可以將開關(guān)頻率微調(diào)至 280 kHz 至 700 kHz 之間的任何值，頻率與 RT 值的關(guān)系可參考圖 1 - 1。

3.3 輸出電壓

3.4 慢啟動

通過改變 C1 的值可以修改 EVM 的慢啟動時間。特定慢啟動時間下 C1 的值可以通過公式 (C{1}=frac{T{SS} × 5 mu A}{0.891 V}) 計算。當 C1 開路時，慢啟動時間通常為 3.6 ms，且慢啟動時間不能短于 3.6 ms。

3.5 改善瞬態(tài)響應(yīng)

反饋補償組件 R2、R4、R5、R6、C4、C5 和 C6 是根據(jù) SWIFT Designer 軟件工具的輸出選擇的，這使得模塊的單位增益帶寬為 30 kHz，相位裕度為 95°。使用原理圖中的補償，TPS54310EVM 能在 30 μs 內(nèi)響應(yīng) 3 - A 的負載瞬態(tài)。如果需要更快的響應(yīng)時間，可以更改反饋補償組件的值。采用表 1 - 3 中的值，單位增益帶寬可提高到 75 kHz，相位裕度為 72°，在 3 - A 負載瞬態(tài)期間，輸出電壓能保持在 ±2% 的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

四、測試設(shè)置與結(jié)果

4.1 輸入/輸出連接

TPS54310EVM 有四個輸入/輸出連接：J1（ (V{in }) 和 GND）和 J3（ (V{out }) 和 GND）。使用一對 20 AWG 電線將能夠提供 3 A 電流的電源連接到 J1，將負載通過另一對 20 AWG 電線連接到 J3。盡量縮短電線長度以減少電線中的損耗。測試點 TP8 方便連接示波器電壓探頭來監(jiān)測輸出電壓。

4.2 環(huán)路特性設(shè)置

模塊在反饋路徑中包含一個 49.9 Ω 的電阻（R7），用于測量環(huán)路響應(yīng)。R7 兩側(cè)的測試點（TP5 和 TP7）為網(wǎng)絡(luò)分析儀信號提供連接點。通過在 R7 兩端注入一個小交流信號，可以測量從 R7 一側(cè)到另一側(cè)的環(huán)路增益和相位。由于 R7 的值相對于 R5 較小，它不會顯著影響調(diào)節(jié)器的輸出電壓設(shè)定點。

4.3 效率

TPS54310EVM 的效率在負載電流約為 1 A 時達到峰值，滿載時效率降至約 90.5%。在 5 - V 輸入和 25°C 環(huán)境溫度下的典型效率如圖 2 - 2 所示。由于 MOSFET 的漏源電阻隨溫度變化，環(huán)境溫度升高時效率會降低；較低的開關(guān)頻率由于 MOSFET 的柵極和開關(guān)損耗較小，效率會略高。總電路板損耗如圖 2 - 3 所示。

4.4 熱性能

在 5 - V 輸入電壓和 25°C 環(huán)境溫度下，結(jié)溫與負載電流的關(guān)系如圖 2 - 4 所示。PWP 封裝的低結(jié)殼熱阻和良好的電路板布局有助于在高輸出電流時保持較低的結(jié)溫。在 5 - V 輸入源和 3 - A 負載下，結(jié)溫約為 47°C。

4.5 輸出電壓調(diào)節(jié)

在 5 - V 輸入和 25°C 環(huán)境溫度下，輸出電壓負載調(diào)節(jié)情況如圖 2 - 5 所示。在 0 A 至 3 A 的負載范圍內(nèi)，輸出電壓變化小于 0.2%。

4.6 負載瞬態(tài)

TPS54310EVM 對負載瞬態(tài)的響應(yīng)如圖 2 - 6 所示，負載瞬態(tài)在 0 A 和 3 A 之間轉(zhuǎn)換。由于這些瞬態(tài)，輸出電壓從其平均值偏離約 - 95 mV（ - 2.9%）和 75 mV（2.3%）。在圖 2 - 6 中，輸出電壓在 30 μs 內(nèi)回到 ±2% 的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。使用 1.3.5 節(jié)中描述的替代反饋補償，輸出電壓偏差可減小至 - 55 mV（ - 1.7%）和 45 mV（1.4%），如圖 2 - 7 所示，在負載瞬態(tài)期間輸出電壓能保持在 ±2% 的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

4.7 環(huán)路特性

在 5.0 - V 輸入和 3.0 - A 負載下，環(huán)路增益和相位如圖 2 - 8 所示，環(huán)路交叉頻率約為 30 kHz，相位裕度約為 75°。使用 1.3.5 節(jié)中描述的替代補償時，環(huán)路響應(yīng)如圖 2 - 9 所示，環(huán)路交叉頻率約為 75 kHz，相位裕度約為 72°。

4.8 輸出電壓紋波

在 5.0 - V 輸入電壓和 3 A 負載電流下，輸出紋波電壓如圖 2 - 10 所示。TPS54310EVM 的典型輸出電壓紋波小于 (33 mV_{pp})。降低開關(guān)頻率會使輸出紋波電壓升高，使用更大的電感器或降低輸出電容器的等效串聯(lián)電阻可以降低輸出紋波電壓，但更改這些組件需要重新設(shè)計反饋補償。

4.9 輸入紋波電壓

3 - A 負載下的輸入紋波電壓如圖 2 - 11 所示。在 5.0 - V 輸入電壓下，輸入紋波約為 (120 mV_{pp})。通過增加輸入電容可以降低輸入紋波電壓。

4.10 啟動

當 C1 開路時，TPS54310EVM 的啟動電壓波形如圖 2 - 12 所示。輸入電壓顯示在通道 3，輸出電壓顯示在通道 1，電源良好信號顯示在通道 2。一旦輸入電壓超過 2.9 - V 啟動閾值，輸出電壓在 3.6 ms 內(nèi)線性上升至 3.3 V。當輸出電壓達到最終值時，開漏電源良好信號變?yōu)楦唠娖??？梢允褂猛獠柯龁与娙萜?C1 來延長啟動時間，具體編程方法可參考 1.3.4 節(jié)。需要注意的是，不要使用 J2 上的短路跳線來啟用 EVM，因為這可能會在 SS/ENA 引腳上引起過大的電壓瞬變，應(yīng)使用外部使能信號代替。

五、電路板布局

TPS54310EVM 的頂層布局如圖 3 - 1 所示，輸入電容器（C8 和 C9）、偏置去耦電容器（C3）和自舉電容器（C7）都盡可能靠近 IC。反饋補償組件也靠近 IC，補償電路在調(diào)節(jié)點（TP7）與輸出電壓相連。

該模塊的印刷電路板（PWB）由兩層 1.5 oz. 銅組成。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。兩個接地平面在 U1 處相連，以減少兩個 IC 接地連接之間注入的噪聲?？偣彩褂昧?10 個過孔將 TPS54310 器件下方的散熱焊盤區(qū)域連接到電路板背面的散熱平面。

六、原理圖與物料清單

6.1 原理圖

TPS54310EVM 的原理圖如圖 4 - 1 所示，它清晰地展示了模塊的電路結(jié)構(gòu)和連接方式，為工程師進行電路分析和修改提供了重要依據(jù)。

6.2 物料清單