TPS54610 EVM 評估模塊：設(shè)計(jì)與性能全解析

一、引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理模塊的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。TPS54610 EVM 評估模塊作為一款重要的電源管理工具，為工程師們提供了便捷的測試和開發(fā)平臺。今天，我們就來深入了解一下這款評估模塊的特點(diǎn)、性能以及使用方法。

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二、模塊背景與性能概述

2.1 背景

TPS54610 EVM 采用了 TPS54610 同步降壓調(diào)節(jié)器，能夠在 4.0 V 至 6.0 V 的輸入電壓范圍內(nèi)，為 0 A 至 6 A 的負(fù)載提供 3.3 V 的穩(wěn)定輸出。其設(shè)計(jì)易于修改，額外的焊盤支持多種輸入和輸出電容，較大的電感焊盤可適配不同的電感。此外，通過跳線可以輕松將開關(guān)頻率從 350 kHz 切換到 550 kHz。值得一提的是，TPS54610 的 MOSFET 集成在封裝內(nèi)部，無需外部 MOSFET 及其驅(qū)動，低導(dǎo)通電阻使得模塊在高輸出電流時(shí)具有高效率和低結(jié)溫的特點(diǎn)。外部補(bǔ)償組件則允許實(shí)現(xiàn)可調(diào)輸出電壓和可定制的環(huán)路響應(yīng)。

2.2 性能規(guī)格總結(jié)

三、模塊的可修改性

3.1 元件適配

TPS54610 EVM 設(shè)計(jì)支持多種類型的輸入電容、輸出電容和電感。例如，C3 提供了表面貼裝輸入電容的焊盤，C1 的孔可用于通孔輸入電容；C10 和 C11 為表面貼裝輸出電容提供焊盤，C12 的孔可用于通孔輸出電容；L1 的大焊盤能適配各種功率電感。不過，在更改輸出濾波器時(shí)，需要相應(yīng)改變補(bǔ)償值以確保穩(wěn)定性。可以使用 SWIFT Designer 軟件工具或德州儀器應(yīng)用筆記 SLVA104 來輔助計(jì)算補(bǔ)償組件，這些資源都可在德州儀器網(wǎng)站下載。

3.2 頻率調(diào)整

通過改變跳線 JP1 的位置，可輕松將 TPS54610 EVM 的開關(guān)頻率設(shè)置為 350 kHz 或 550 kHz。此外，使用 RT（R3）還能將開關(guān)頻率微調(diào)至 280 kHz 至 700 kHz 之間的任意值，具體的 RT 值與開關(guān)頻率的關(guān)系可參考圖 1 - 1。

3.3 輸出電壓調(diào)整

3.4 慢啟動時(shí)間調(diào)整

改變 C2 的值可以修改 TPS54610 EVM 的慢啟動時(shí)間，使用公式 $C{2}=frac{T{SS} × 5 mu A}{0.891 V}$ 可計(jì)算特定慢啟動時(shí)間對應(yīng)的 C2 值。若 C2 不焊接，慢啟動時(shí)間通常為 3.6 ms，且慢啟動時(shí)間不能快于 3.6 ms。

四、測試設(shè)置與結(jié)果

4.1 輸入/輸出連接

TPS54610 EVM 的輸入/輸出連接包括 J1（$Vin$ 和 GND）和 J3（$Vout$ 和 GND）。需通過一對 20 AWG 電線將能夠提供 6 A 電流的電源連接到 J1，通過一對 16 AWG 電線將負(fù)載連接到 J3，并盡量縮短電線長度以減少線損。測試點(diǎn) TP5 方便使用示波器電壓探頭監(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(gè) 49.9 - Ω 的電阻（R6），用于測量環(huán)路響應(yīng)。R6 兩側(cè)的測試點(diǎn)（TP4 和 TP3）為網(wǎng)絡(luò)分析儀信號提供連接點(diǎn)。通過在 R6 兩端注入小交流信號，可測量從 R6 一側(cè)到另一側(cè)的環(huán)路增益和相位。由于 R6 的值相對于 R4 較小，不會影響調(diào)節(jié)器的輸出電壓設(shè)定點(diǎn)。

4.3 效率

TPS54610 EVM 的效率在負(fù)載電流約為 1.5 A 時(shí)達(dá)到峰值，滿載時(shí)效率降至約 89%。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 漏源電阻的溫度變化，環(huán)境溫度升高時(shí)效率會降低。此外，由于 MOSFET 的柵極和開關(guān)損耗，350 kHz 時(shí)的效率略高于 550 kHz。圖 2 - 3 展示了總板損耗情況。

4.4 熱性能

圖 2 - 4 繪制了在 5 V 輸入電壓和 25°C 環(huán)境溫度下，結(jié)溫與負(fù)載電流的關(guān)系；圖 2 - 5 展示了殼溫情況。PWP 封裝的低結(jié)殼熱阻以及良好的電路板布局有助于在高輸出電流時(shí)保持較低的結(jié)溫。在 5 V 輸入源和 6 A 負(fù)載下，結(jié)溫約為 60°C，殼溫約為 55°C。

4.5 輸出電壓調(diào)節(jié)

圖 2 - 6 顯示了在 5 V 輸入和 25°C 環(huán)境溫度下的輸出電壓負(fù)載調(diào)整率，圖 2 - 7 展示了輸出電壓線性調(diào)整率。在 4.0 V 至 6.0 V 的輸入電壓范圍和 0 A 至 6 A 的負(fù)載范圍內(nèi)，輸出電壓變化小于 0.3%。

4.6 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

圖 2 - 8 展示了 TPS54610 EVM 對負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)，負(fù)載在 10 μs 內(nèi)從 1 A 過渡到 5 A，輸出電壓因這些瞬態(tài)而偏離其平均值約 50 mV。

4.7 環(huán)路特性

圖 2 - 9 和圖 2 - 10 分別顯示了在 5.0 V 輸入和 6.0 A 負(fù)載下的環(huán)路增益和相位。環(huán)路交叉頻率約為 25 kHz，相位裕度約為 75°。

4.8 輸出電壓紋波

圖 2 - 11 和圖 2 - 12 分別繪制了開關(guān)頻率為 350 kHz 和 550 kHz 時(shí)的輸出紋波電壓，SLVP192 的典型輸出電壓紋波小于 $18 mV_{pp}$。

4.9 輸入紋波電壓

圖 2 - 13 和圖 2 - 14 分別展示了 6 A 負(fù)載下，開關(guān)頻率為 350 kHz 和 550 kHz 時(shí)的輸入紋波電壓。550 kHz 開關(guān)頻率下，輸入紋波約為 $200 mV_{pp}$，可通過增加輸入電容來降低輸入紋波電壓。

4.10 啟動特性

圖 2 - 15 展示了 TPS54610 EVM 的啟動電壓波形。輸入電壓上升到 3.0 V 啟動電壓閾值以上后，約有 12.8 ms 的延遲，然后輸出開始上升，輸出電壓在 7.2 ms 內(nèi)上升到 3.3 V。輸出電壓上升沿的斜率變化發(fā)生在 TPS54610 EVM 內(nèi)部參考電壓控制從內(nèi)部控制的慢啟動轉(zhuǎn)變?yōu)橥獠靠刂频穆龁拥狞c(diǎn)。減小 C2 的值可以減少啟動延遲時(shí)間和慢啟動時(shí)間，若 C2 不焊接，啟動延遲時(shí)間消除，慢啟動時(shí)間通常為 3.6 ms。

五、電路板布局

5.1 布局特點(diǎn)

TPS54610 EVM 的頂層（元件層）布局如圖 3 - 1 所示。輸入去耦電容（C9）、偏置去耦電容（C4）和自舉電容（C8）都盡可能靠近 IC 放置，補(bǔ)償組件也靠近 IC。補(bǔ)償電路在調(diào)節(jié)點(diǎn)（TP4）連接到輸出電壓。

5.2 層結(jié)構(gòu)

所有層的布局類似于典型應(yīng)用中的層疊結(jié)構(gòu)。頂層和底層為 1.5 oz. 銅，兩個(gè)內(nèi)層為 0.5 oz. 銅，內(nèi)層用作安靜接地平面。電源接地平面在頂層布線，并在輸出感測點(diǎn)（測試點(diǎn) TP8）與安靜（模擬）接地平面相連。使用寬電源接地平面可防止輸入接地電流在模擬和電源接地之間注入噪聲?？偣彩褂?16 個(gè)過孔將 TPS54610 器件下方的散熱焊盤區(qū)域連接到內(nèi)部接地平面和電路板背面的散熱平面。

六、原理圖與物料清單

6.1 原理圖

圖 4 - 1 展示了 TPS54610 EVM 的原理圖，為工程師提供了電路設(shè)計(jì)的詳細(xì)信息。

6.2 物料清單

表 4 - 1 列出了 TPS54610 EVM 的物料清單，包括元件數(shù)量、參考編號、描述、尺寸、制造商和零件編號等信息，方便工程師進(jìn)行元件采購和替換。

七、總結(jié)

TPS54610 EVM 評估模塊具有良好的性能和高度的可修改性，為電源管理設(shè)計(jì)提供了豐富的選擇。通過對其背景、性能、可修改性、測試結(jié)果、電路板布局以及原理圖和物料清單的詳細(xì)了解，工程師們可以更好地利用這款模塊進(jìn)行電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。大家在使用過程中是否遇到過類似模塊的其他問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。