TPS54320降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊用戶指南解讀

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，降壓轉(zhuǎn)換器是一種常見且關(guān)鍵的組件。德州儀器（Texas Instruments）的TPS54320降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊為工程師們提供了一個(gè)便捷的測(cè)試和開發(fā)平臺(tái)。今天，我們就來詳細(xì)解讀一下這個(gè)評(píng)估模塊的用戶指南。

文件下載：TPS54320EVM-513.pdf

一、引言

1.1 背景

TPS54320是一款直流 - 直流轉(zhuǎn)換器，能夠提供高達(dá)3A的輸出電流。它采用了分離的輸入電源軌，為功率級(jí)和控制電路分別提供獨(dú)立的輸入電壓。功率級(jí)輸入（PVIN）的額定電壓范圍為1.6V至17V，控制輸入（VIN）的額定電壓范圍為4.5V至17V。在實(shí)際設(shè)計(jì)和測(cè)試中，通常將PVIN連接到VIN。評(píng)估模塊的額定輸入電壓范圍為8V至17V（VIN啟動(dòng)電壓為6.806V），輸出電流范圍為0A至3A。

這款轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率外部設(shè)定為標(biāo)稱480kHz，內(nèi)部集成了高端和低端MOSFET以及柵極驅(qū)動(dòng)電路。MOSFET的低漏源導(dǎo)通電阻使得TPS54320能夠?qū)崿F(xiàn)高效率，并在高輸出電流時(shí)保持較低的結(jié)溫。補(bǔ)償組件位于集成電路（IC）外部，通過外部分壓器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)。此外，TPS54320還提供了可調(diào)的軟啟動(dòng)、跟蹤和欠壓鎖定輸入功能，其絕對(duì)最大輸入電壓為20V。

1.2 性能規(guī)格總結(jié)

在輸入電壓為12V、輸出電壓為3.3V（除非另有說明）的條件下，TPS54320的性能規(guī)格如下：

• 輸入電壓范圍：8V至17V（PVIN = VIN）
• VIN啟動(dòng)電壓：典型值為6.806V
• VIN停止電壓：典型值為4.824V
• 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)：典型值為3.3V
• 輸出電流范圍：0A至3A（VIN = 8V至17V）
• 線路調(diào)節(jié)率：±0.02%（IO = 3A，VIN = 8V至17V）
• 負(fù)載調(diào)節(jié)率：±0.02%（VIN = 12V，IO = 0A至3A）
• 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)：電壓變化在90mV以內(nèi)，恢復(fù)時(shí)間約為70μs
• 環(huán)路帶寬：典型值為32.1kHz（VIN = 12V，IO = 3A）
• 相位裕度：典型值為82°（VIN = 12V，IO = 3A）
• 輸入紋波電壓：典型值為480mVPP（IO = 3A）
• 輸出紋波電壓：典型值為10mVPP（IO = 3A）
• 輸出上升時(shí)間：典型值為3.5ms
• 工作頻率：典型值為480kHz
• 最大效率：在TPS54320EVM - 513模塊中，VIN = 8V、IO = 0.9A時(shí)，最大效率可達(dá)94.9%

1.3 模塊修改

這個(gè)評(píng)估模塊允許進(jìn)行一些修改，以滿足不同的設(shè)計(jì)需求。

• 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)：輸出電壓由R8和R9組成的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)定，R9固定為10kΩ。要改變?cè)u(píng)估模塊的輸出電壓，需要改變電阻R8的值?？梢允褂霉?(R 8=frac{10 k Omegaleft(V_{OUT }-0.8 Vright)}{0.8 V}) 計(jì)算特定輸出電壓下R8的值。常見輸出電壓對(duì)應(yīng)的R8值如下：	輸出電壓 (V)	R8值 (kΩ)
  1.8	12.4
  2.5	21.5
  3.3	31.6
  5	52.3

需要注意的是，VIN必須在一定范圍內(nèi)，以確保最小導(dǎo)通時(shí)間大于135ns，最大占空比小于95%。

• 軟啟動(dòng)時(shí)間：軟啟動(dòng)時(shí)間可以通過改變C7的值進(jìn)行調(diào)整。使用公式 (C 7(nF)=frac{Tss(m s) × Iss(mu A)}{Vref(V)}) 計(jì)算所需的C7值。評(píng)估模塊默認(rèn)使用C7 = 0.01μF，軟啟動(dòng)時(shí)間為3.5ms。
• 跟蹤輸入：TPS54320在啟動(dòng)時(shí)可以跟蹤外部電壓。J5連接器用于連接外部電壓，通過電阻分壓器R5和R6可以實(shí)現(xiàn)比例跟蹤或同步跟蹤。具體細(xì)節(jié)可參考TPS54320數(shù)據(jù)手冊(cè)（SLVS982）。
• 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）：欠壓鎖定可以通過R1和R2進(jìn)行外部調(diào)整。評(píng)估模塊默認(rèn)使用R1 = 511kΩ和R2 = 100kΩ，啟動(dòng)電壓為6.528V，停止電壓為6.190V。可以使用公式 (R 1=frac{V{START }left(frac{V{ENFALLLING }}{V{ENRISING }}right)-V{STOP }}{I{p}left(1-frac{V{ENFALLES }}{V{ENRISING }}right)+I{h}}) 和 (R 2=frac{R 1 × V{ENFALLING }}{V{STOP }-V{ENFALLING }+R 1left(I{p}+I_{h}right)}) 計(jì)算不同啟動(dòng)和停止電壓所需的電阻值。
• 輸入電壓軌：評(píng)估模塊設(shè)計(jì)為適應(yīng)功率級(jí)和控制邏輯的不同輸入電壓水平。正常運(yùn)行時(shí)，通過JP1跳線將PVIN和VIN輸入連接在一起，由J1提供單一輸入電壓。如果需要，可以移除JP1跳線，分別在J1和J2提供兩個(gè)不同的輸入電壓。

二、測(cè)試設(shè)置與結(jié)果

2.1 輸入/輸出連接

TPS54320評(píng)估模塊提供了輸入/輸出連接器和測(cè)試點(diǎn)。需要使用能夠提供2A電流的電源，通過一對(duì)20AWG電線連接到J1，并確保JP1跳線處于連接狀態(tài)。負(fù)載通過一對(duì)20AWG電線連接到J3，最大負(fù)載電流能力為3A。為了減少電線損耗，應(yīng)盡量縮短電線長(zhǎng)度。測(cè)試點(diǎn)TP1用于監(jiān)測(cè)VIN輸入電壓，TP2作為接地參考；TP8用于監(jiān)測(cè)輸出電壓，TP9作為接地參考。

2.2 效率

評(píng)估模塊的效率在負(fù)載電流約為0.9A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)，圖2 - 1展示了TPS54320的效率曲線，圖2 - 2展示了輸出電流低于0.20A時(shí)的效率曲線。由于內(nèi)部MOSFET的漏源電阻隨溫度變化，在較高環(huán)境溫度下效率可能會(huì)降低。

2.3 輸出電壓負(fù)載調(diào)節(jié)

圖2 - 3展示了TPS54320的負(fù)載調(diào)節(jié)情況，測(cè)量是在環(huán)境溫度為25°C的條件下進(jìn)行的。

2.4 輸出電壓線路調(diào)節(jié)

圖2 - 4展示了TPS54320的線路調(diào)節(jié)情況。

2.5 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

圖2 - 5展示了TPS54320對(duì)負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)。在輸入電壓為12V時(shí)，電流從最大額定負(fù)載的25%階躍到50%，輸出電壓的總峰 - 峰變化包括紋波和噪聲。

2.6 環(huán)路特性

圖2 - 6展示了TPS54320的環(huán)路響應(yīng)特性，增益和相位圖是在VIN為12V、負(fù)載電流為3A的條件下測(cè)量的。

2.7 輸出電壓紋波

圖2 - 7展示了TPS54320在輸出電流為額定滿載3A、VIN = 12V時(shí)的輸出電壓紋波。紋波電壓應(yīng)直接跨接在輸出電容器上，使用低電感探頭進(jìn)行測(cè)量。在輸出測(cè)試點(diǎn)TP8和TP9測(cè)量可能會(huì)拾取一些輻射噪聲，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

2.8 輸入電壓紋波

圖2 - 8展示了TPS54320在輸出電流為額定滿載3A、VIN = 12V時(shí)的輸入電壓紋波，紋波電壓直接跨接在輸入電容器上進(jìn)行測(cè)量。

2.9 上電

圖2 - 9和圖2 - 10展示了TPS54320的啟動(dòng)波形。在圖2 - 9中，當(dāng)輸入電壓達(dá)到由R1和R2電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的UVLO閾值時(shí)，輸出電壓開始上升。在圖2 - 10中，首先施加輸入電壓，通過JP2跳線將EN連接到GND來抑制輸出。移除跳線后，EN釋放，當(dāng)EN電壓達(dá)到使能閾值電壓時(shí)，啟動(dòng)序列開始，輸出電壓上升到外部設(shè)定的3.3V。這些圖的輸入電壓為12V，負(fù)載為1.1Ω。

2.10 熱特性

在輸入電壓為12V、負(fù)載為3A、無氣流、環(huán)境溫度為25°C的條件下，圖2 - 11展示了TPS54320的熱圖像。IC的峰值溫度為59.5°C，遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)手冊(cè)中列出的最大推薦工作溫度150°C。

三、電路板布局

3.1 布局

TPS54320的電路板布局如圖3 - 1至圖3 - 3所示。評(píng)估模塊的頂層布局采用了典型的用戶應(yīng)用方式，頂層和底層均為2盎司銅。頂層包含PVIN、VIN、VOUT和VPHASE的主要功率走線，以及TPS54320其余引腳的連接和大面積的接地。底層僅包含接地平面，頂層接地走線通過多個(gè)過孔連接到底層接地平面，其中包括位于TPS54320器件正下方的九個(gè)過孔，以提供從頂層接地平面到底層接地平面的熱路徑。

輸入去耦電容（C2和C3）和自舉電容（C5）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，分壓器網(wǎng)絡(luò)連接到J3輸出連接器處的VOUT銅走線，即調(diào)節(jié)點(diǎn)。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。關(guān)鍵的模擬電路，如電壓設(shè)定點(diǎn)分壓器、頻率設(shè)定電阻、軟啟動(dòng)電容和補(bǔ)償組件，使用與功率接地層分開的寬接地走線接地。

3.2 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 (0.35 in^{2}(227 ~mm^{2})) ，不包括測(cè)試點(diǎn)和連接器。

四、原理圖和物料清單

4.1 原理圖

圖4 - 1展示了TPS54320的原理圖。

4.2 物料清單

五、修訂歷史

從2010年9月的版本到2021年10月的版本，文檔進(jìn)行了一些更新，包括更新表格、圖形和交叉引用的編號(hào)格式，以及更新用戶指南的標(biāo)題。

通過對(duì)TPS54320降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊用戶指南的解讀，我們可以更深入地了解該模塊的性能、使用方法和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們可以根據(jù)具體需求對(duì)模塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮驼{(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)效果。你在使用類似降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。