TPS5430和TPS5431降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊使用指南
TPS5430和TPS5431降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊使用指南
在電子設計領域，降壓轉(zhuǎn)換器是常見且關鍵的元件，德州儀器（Texas Instruments）的TPS5430和TPS5431降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊為工程師們提供了一個便捷的測試和開發(fā)平臺。下面將詳細介紹這兩個評估模塊的相關信息。
文件下載：TPS5430EVM-173.pdf
一、引言
1.1 背景
| TPS5430和TPS5431是直流 - 直流（dc/dc）轉(zhuǎn)換器，TPS5430能在5.5 V至36 V的輸入電壓下提供高達3 A的輸出，TPS5431EVM - 173則可在5.5 V至23 V的輸入電壓下實現(xiàn)相同的輸出。評估模塊的額定輸入電壓和輸出電流范圍如下： | EVM | 輸入電壓范圍 | 輸出電流范圍 |
|---|---|---|---|
| TPS5430EVM - 173 | VIN = 10 V至35 V | 0 A至3 A | |
| TPS5431EVM - 173 | VIN = 9 V至21 V | 0 A至3 A |
該評估模塊旨在展示使用TPS5430和TPS5431調(diào)節(jié)器設計時可實現(xiàn)的小尺寸印刷電路板。其開關頻率內(nèi)部設定為標稱500 kHz，高端MOSFET與柵極驅(qū)動電路集成在TPS5430/31封裝內(nèi)。MOSFET的低漏源導通電阻使TPS5430/31能實現(xiàn)高效率，并有助于在高輸出電流時保持較低的結(jié)溫。補償組件集成在集成電路（IC）內(nèi)部，外部分壓器可實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，此外，TPS5430/31還提供使能輸入。TPS5430EVM - 173的絕對最大輸入電壓為38 V，TPS5431EVM - 173為25 V。
1.2 性能規(guī)格總結(jié)
| 以下是TPS5430EVM - 173和TPS5431EVM - 173的性能規(guī)格總結(jié)（除非另有說明，輸入電壓VIN = 15 V，輸出電壓為5 V，環(huán)境溫度為25°C）： | 規(guī)格 | 測試條件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| TPS5430EVM - 173輸入電壓范圍 | - | 10 | 15 | 35 | V | |
| TPS5431EVM - 173輸入電壓范圍 | - | 9 | 15 | 21 | V | |
| 輸出電壓設定點 | - | - | 5.0 | - | V | |
| 輸出電流范圍 | VIN = 3.3 V | 0 | - | 3 | A | |
| TPS5430EVM - 173線路調(diào)整率 | IO = 0 A – 3 A，VIN = 10 V – 35 V | - | - | ±0.07% | - | |
| TPS5431EVM - 173線路調(diào)整率 | IO = 0 A – 3 A，VIN = 9 V – 21 V | - | - | ±0.04% | - | |
| TPS5430EVM - 173負載調(diào)整率 | VIN = 15 V，IO = 0 A至3 A | - | - | ±0.03% | - | |
| TPS5431EVM - 173負載調(diào)整率 | VIN = 15 V，IO = 0 A至3 A | - | - | ±0.05% | - | |
| TPS5430EVM - 173負載瞬態(tài)響應（IO = 0.75 A至2.25 A） | 電壓變化 | - | - | -50 mV | - | |
| 恢復時間 | - | - | 150 μs | - | ||
| TPS5431EVM - 173負載瞬態(tài)響應（IO = 0.75 A至2.25 A） | 電壓變化 | - | - | -40 mV | - | |
| 恢復時間 | - | - | 150 μs | - | ||
| TPS5430EVM - 173負載瞬態(tài)響應（IO = 2.25 A至0.75 A） | 電壓變化 | - | - | 50 mV | - | |
| 恢復時間 | - | - | 150 μs | - | ||
| TPS5431EVM - 173負載瞬態(tài)響應（IO = 2.25 A至0.75 A） | 電壓變化 | - | - | 40 mV | - | |
| 恢復時間 | - | - | 150 μs | - | ||
| TPS5430EVM - 173環(huán)路帶寬 | VIN = 25 V，IO = 1 A | - | 25.0 | - | kHz | |
| TPS5431EVM - 173環(huán)路帶寬 | VIN = 15 V，IO = 1 A | - | 23.9 | - | kHz | |
| TPS5430EVM - 173相位裕度 | VIN = 25 V，IO = 1 A | - | 50° | - | - | |
| TPS5431EVM - 173相位裕度 | VIN = 15 V，IO = 1 A | - | 51° | - | - | |
| TPS5430EVM - 173輸入紋波電壓 | IO = 3 A | 255 | - | 300 | mVpp | |
| TPS5431EVM - 173輸入紋波電壓 | IO = 3 A | 295 | - | 350 | mVpp | |
| TPS5430EVM - 173輸出紋波電壓 | IO = 3 A | - | - | 20 | mVpp | |
| TPS5431EVM - 173輸出紋波電壓 | IO = 3 A | - | - | 20 | mVpp | |
| 輸出上升時間 | - | - | - | 8 | ms | |
| 工作頻率 | - | - | 500 | - | kHz | |
| TPS5430EVM - 173最大效率 | VIN = 10 V，VO = 5 V，IO = 0.75 A | - | 93.6% | - | - | |
| TPS5431EVM - 173最大效率 | VIN = 9 V，VO = 5 V，IO = 0.75 A | - | 94.0% | - | - |
1.3 修改
| 評估模塊可進行一些修改，例如改變輸出電壓設定點。要改變EVM的輸出電壓，需改變電阻R2的值。特定輸出電壓下R2的值可通過公式[R 2=10 k Omega × frac{1.221 V}{V_{O}-1.221 V}]計算。以下是一些常見輸出電壓對應的R2值： | 輸出電壓（V） | R2值（kΩ） |
|---|---|---|
| 1.8 | 21.5 | |
| 2.5 | 9.53 | |
| 3.3 | 5.90 | |
| 5 | 3.24 |
需注意，VIN必須在一定范圍內(nèi)，以確保最小導通時間大于200 ns，最大占空比小于87%。
二、測試設置與結(jié)果
2.1 輸入/輸出連接
| TPS5430EVM - 173和TPS5431EVM - 173配備了輸入/輸出連接器和測試點，具體如下： | 參考標識 | 功能 |
|---|---|---|
| J1 | VIN（輸入電壓范圍見表格1 - 1） | |
| J2 | OUT，最大3 A時為5 V | |
| JP1 | 2針引腳用于使能。將EN連接到地以禁用，斷開以啟用 | |
| TP1 | VIN連接器處的VIN測試點 | |
| TP2 | VIN處的接地測試點 | |
| TP3 | OUT連接器處的輸出電壓測試點 | |
| TP4 | OUT連接器處的接地測試點 | |
| TP5 | 分壓器網(wǎng)絡和R3之間的測試點，用于環(huán)路響應測量 | |
| TP6 | PH測試點 |
需使用能夠提供3 A電流的電源通過一對20 AWG電線連接到J1，負載通過一對20 AWG電線連接到J3，最大負載電流能力應為3 A，同時應盡量縮短電線長度以減少線路損耗。
2.2 效率
兩個評估模塊的效率在負載電流約為0.75 A時達到峰值，隨后隨著負載電流接近滿載而下降。在環(huán)境溫度為25°C時，TPS5430EVM - 173和TPS5431EVM - 173的效率曲線分別如圖2 - 1和圖2 - 2所示。由于MOSFET的漏源電阻隨溫度變化，在較高環(huán)境溫度下效率會降低。
2.3 輸出電壓負載調(diào)整率
TPS5430EVM - 173和TPS5431EVM - 173的負載調(diào)整率曲線分別如圖2 - 3和圖2 - 4所示（環(huán)境溫度為25°C）。
2.4 輸出電壓線路調(diào)整率
TPS5430EVM - 173和TPS5431EVM - 173的線路調(diào)整率曲線分別如圖2 - 5和圖2 - 6所示。
2.5 負載瞬態(tài)
TPS5430EVM - 173和TPS5431EVM - 173對負載瞬態(tài)的響應分別如圖2 - 7和圖2 - 8所示，電流階躍為最大額定負載的25%至75%，輸出的總峰 - 峰電壓變化包括紋波和噪聲。
2.6 環(huán)路特性
TPS5430EVM - 173和TPS5431EVM - 173的環(huán)路響應特性分別如圖2 - 9和圖2 - 10所示，增益和相位圖分別對應TPS5430EVM - 173的VIN電壓為25 V和TPS5431EVM - 173的VIN電壓為15 V，負載電流均為1 A。
2.7 輸出電壓紋波
TPS5430EVM - 173和TPS5431EVM - 173的輸出電壓紋波分別如圖2 - 11和圖2 - 12所示，輸出電流為額定滿載3 A，電壓直接跨接在輸出電容器上測量。
2.8 輸入電壓紋波
TPS5430EVM - 173和TPS5431EVM - 173的輸入電壓紋波分別如圖2 - 13和圖2 - 14所示，每個器件的輸出電流均為額定滿載3 A。
2.9 上電
啟動波形如圖2 - 15所示，頂部軌跡顯示ENA，底部軌跡顯示Vout。初始時，通過在JP1處使用跳線將EN連接到地來抑制輸出。移除跳線后，ENA釋放。當ENA電壓達到1.06 V的使能閾值電壓時，啟動序列開始，內(nèi)部參考電壓以內(nèi)部設定的速率向1.221 V斜坡上升，輸出電壓斜坡上升到外部設定的5 V值。TPS5430EVM - 173和TPS5431EVM - 173的啟動波形相同。
三、電路板布局
3.1 布局
TPS5430EVM - 173和TPS5431EVM - 173的電路板布局如圖3 - 1至圖3 - 3所示，兩個EVM電路使用相同的印刷電路板（HPA173）。EVM的頂層布局符合典型用戶應用方式，頂層和底層為2盎司銅。
頂層包含VIN、OUT和VPHASE的主要電源走線，還有TPS5430其余引腳的連接以及大面積的接地區(qū)域。底層包含接地和ENA功能的信號走線。頂層、底層和內(nèi)部接地走線通過分布在電路板周圍的多個過孔連接，包括TPS5430器件正下方的四個過孔，以提供從PowerPAD?焊盤到地的熱路徑。
輸入去耦電容（C1）和自舉電容（C2）都盡可能靠近IC放置，此外，電壓設定點電阻分壓器組件也靠近IC。分壓器網(wǎng)絡在調(diào)節(jié)點連接到輸出電壓，即輸出電容C3之后的銅質(zhì)Vout走線。對于TPS5430，還需要一個額外的輸入旁路電容（C4）。
四、原理圖和物料清單
4.1 原理圖
TPS5430EVM - 173和TPS5431EVM - 173的原理圖如圖4 - 1所示。
4.2 物料清單
| TPS5430EVM - 173的物料清單如下： | 數(shù)量 | 參考標識 | 值 | 描述 | 尺寸 | 零件編號 | 制造商 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | C1 | 4.7 μF | 陶瓷電容，50V，X7R，20% | 1812 | C4532X5R1H475MT | TDK | |
| 0 | C1 | 10 μF | 陶瓷電容，25V，X7R，20% | 1812 | C4532X7R1E106KT | TDK | |
| 1 | C2 | 0.01 μF | 陶瓷電容，50V，X7R，10% | 0603 | C1608X7R1H103K | TDK | |
| 1 | C3 | 220 μF | POSCAP電容，10V，40mΩ，20% | 7343(D) | 10TPB220M | Sanyo | |
| 0 | C4 | 4.7 μF | 陶瓷電容，50V，X5R，20% | 1812 | C4532X5R1H475MT | TDK | |
| 1 | D1 | - | 肖特基二極管，3A，40V | SMA | B340A | Diode Inc | |
| 2 | J1, J2 | - | 2針端子塊，6 - A，3.5mm | 0.27 × 0.25 | ED1514 | OST | |
| 1 | JP1 | - | 2針引腳，100mil間距，(36 - 針條) | 0.100 × 2 | PTC36SAAN | Sullins | |
| 0 | L1 | 22 μH | 功率電感，3.6A，50mΩ | 0.484 × 0.484 | MSS1278 - 223MLB | Coilcraft | |
| 0 | L1 | 18 μH | 功率電感，4A，43mΩ | 0.484 × 0.484 | MSS1278 - 183MLB | Coilcraft | |
| 1 | R1 | 10.0k | 貼片電阻，1/16W，1% | 0603 | Std | Std | |
| 1 | R2 | 3.24k | 貼片電阻，1/16W，1% | 0603 | Std | Std | |
| 1 | R3 | 0 | 貼片電阻，1/16W，1% | 0603 | Std | Std | |
| 4 | TP1, TP3, TP5, TP6 | - | 紅色通孔測試點，顏色編碼 | 0.100 × 0.100 | 5000 | Keystone | |
| 2 | TP2, TP4 | - | 黑色通孔測試點，顏色編碼 | 0.100 × 0.100 | 5001 | Keystone | |
| 1 | U1 | - | 開關降壓調(diào)節(jié)器，5.5V - 36V，3A，SO8[DDA] | - | TPS5430DDA | TI | |
| 0 | U1 | - | 開關降壓調(diào)節(jié)器，5.5V - 23V，3A，SO8[DDA] | - | TPS5431DDA | TI | |
| 1 | PCB | 1.95 In × 1.65 In × 0.062 In | - | - | HPA173 | Any | |
| - | - | - | 分流器，100mil，黑色 |
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