德州儀器TPS54x80EVM - 228評(píng)估模塊深度解析

一、引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理模塊的性能和靈活性至關(guān)重要。德州儀器（TI）的TPS54x80EVM - 228評(píng)估模塊，包括TPS54680EVM - 228（6 - Amp）和TPS54880EVM - 228（8 - Amp），為工程師們提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具，用于評(píng)估和開(kāi)發(fā)具有精確電源排序功能的應(yīng)用。本文將深入解析該評(píng)估模塊的各個(gè)方面，包括背景、性能規(guī)格、測(cè)試設(shè)置與結(jié)果等，希望能為電子工程師們?cè)陔娫丛O(shè)計(jì)方面提供有價(jià)值的參考。

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二、背景知識(shí)

2.1 SWIFT系列轉(zhuǎn)換器

TPS54680和TPS54880屬于SWIFT系列跟蹤型DC/DC轉(zhuǎn)換器，旨在為需要多個(gè)電壓的負(fù)載提供精確的電源排序。這類應(yīng)用常見(jiàn)于微處理器、DSP和FPGA的核心與I/O電源供應(yīng)。該系列轉(zhuǎn)換器具備直接跟蹤、比例跟蹤以及與第二電源進(jìn)行電壓排序的能力。

2.2 評(píng)估模塊特點(diǎn)

• 雙輸出設(shè)計(jì)：TPS54680EVM - 228采用TPS54680跟蹤型DC/DC轉(zhuǎn)換器與TPS54610 DC/DC轉(zhuǎn)換器配對(duì)，每通道提供6A輸出；TPS54880EVM - 228則將TPS54880與TPS54810配對(duì)，每通道提供8A輸出。
• 電壓輸出：在標(biāo)稱5V輸入下，評(píng)估模塊為I/O提供3.3V輸出電壓，為核心提供1.8V輸出電壓。
• TRACKIN引腳功能：通過(guò)TRACKIN引腳實(shí)現(xiàn)跟蹤和排序功能。內(nèi)部多路復(fù)用器電路將該引腳電壓與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，取較小值作為輸出電壓調(diào)節(jié)的參考。
• 同步功能：兩個(gè)通道可以通過(guò)少量廉價(jià)外部組件實(shí)現(xiàn)異相同步，有助于減少不必要的拍頻和輸入電容中的紋波電流。

2.3 性能優(yōu)勢(shì)

• 高頻設(shè)計(jì)：開(kāi)關(guān)頻率標(biāo)稱設(shè)置為700kHz，允許使用小尺寸的0.65μH輸出電感器。
• 集成MOSFET：SWIFT調(diào)節(jié)器的MOSFET集成在封裝內(nèi)，無(wú)需外部MOSFET及其驅(qū)動(dòng)器，降低了成本和電路板面積。
• 高效與熱保護(hù)：MOSFET的低漏源導(dǎo)通電阻使調(diào)節(jié)器具有高效率，并有助于在高輸出電流時(shí)保持低結(jié)溫。此外，SWIFT集成FET DC/DC轉(zhuǎn)換器提供了真正的全電路熱保護(hù)。
• 可調(diào)輸出：TPS54x80調(diào)節(jié)器的補(bǔ)償組件位于IC外部，允許調(diào)節(jié)輸出電壓和定制環(huán)路響應(yīng)。

三、性能規(guī)格總結(jié)

3.1 輸入電壓和輸出電流范圍

3.2 性能規(guī)格詳情

具體性能規(guī)格可參考文檔中的表1 - 2和表1 - 3，這里主要關(guān)注核心電壓輸出。這些規(guī)格是在環(huán)境溫度為25°C時(shí)給出的，除非另有說(shuō)明。

四、跟蹤調(diào)節(jié)器與電源排序

4.1 電源排序技術(shù)

為避免處理器和系統(tǒng)IC出現(xiàn)潛在問(wèn)題，設(shè)計(jì)師可采用三種通用的上電排序技術(shù)：順序、比例或同時(shí)。

• 順序上電：依次為兩個(gè)電源軌上電，通常第二個(gè)電源軌在第一個(gè)電源軌達(dá)到穩(wěn)定后開(kāi)始上升，或者在第一個(gè)電源軌啟動(dòng)后經(jīng)過(guò)設(shè)定的延遲開(kāi)始上升。
• 比例上電：兩個(gè)電源軌同時(shí)上電并同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，需要較高的壓擺率來(lái)實(shí)現(xiàn)最終電壓較高的電源軌，可能會(huì)在達(dá)到穩(wěn)定前產(chǎn)生較大的電壓差。
• 同時(shí)上電：電壓軌一起上升且速率相同，較高的I/O電壓軌在較低的核心電壓軌達(dá)到最終值后繼續(xù)上升，可消除瞬時(shí)電壓差并最小化應(yīng)力的大小和持續(xù)時(shí)間。

4.2 評(píng)估模塊的實(shí)現(xiàn)

TPS54x80EVM - 228評(píng)估模塊通過(guò)適當(dāng)選擇電阻分壓器的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的電源排序技術(shù)。相關(guān)公式如下：

• 核心電壓跟蹤I/O電壓（同時(shí)上電）：(frac{R3}{R4}=frac{R5}{R6})
• 核心與I/O電壓的比例關(guān)系：(frac{R3}{R4}=frac{R1}{R2})
• 核心電壓在上電時(shí)先上升，斷電時(shí)后下降：(frac{R3}{R4}

五、測(cè)試設(shè)置與結(jié)果

5.1 輸入/輸出連接

評(píng)估模塊具有5V輸入、5V輸入返回、3.3V輸出、3.3V輸出返回、1.8V輸出和1.8V輸出返回等連接點(diǎn)。測(cè)試時(shí)，應(yīng)使用能夠提供15A電流的電源通過(guò)16AWG電線連接到J1，3.3V和1.8V負(fù)載分別通過(guò)16AWG電線連接到J2和J3。同時(shí)，需注意最小化電線長(zhǎng)度以減少損耗。

5.2 電源排序測(cè)試

通過(guò)選擇不同的電阻分壓器比例，可以設(shè)置核心電壓在上下電過(guò)程中的斜率與I/O電壓的關(guān)系。測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)合理設(shè)置電阻和跳線，可以實(shí)現(xiàn)不同的電源排序方式，如跟蹤上電、比例上電等。

5.3 效率

評(píng)估模塊的效率取決于輸出電壓和輸入電壓。在輸出電流低于3A時(shí)，3.3V輸入電壓下的效率較高，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)損耗較低；在輸出電流高于3A時(shí)，5V輸入電壓下的效率更好，因?yàn)檩^高的柵極電壓驅(qū)動(dòng)的集成FET的漏源電阻較低。

5.4 功率耗散

PWP封裝的低結(jié)殼熱阻和良好的電路板布局，使得評(píng)估模塊能夠在保持安全結(jié)溫的情況下提供全額定負(fù)載電流。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在不同負(fù)載電流下，模塊的溫度上升和總功率耗散情況不同。

5.5 輸出電壓調(diào)節(jié)

輸出電壓的負(fù)載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)性能在文檔中的圖2 - 10和圖2 - 11中展示，測(cè)量是在環(huán)境溫度為25°C時(shí)進(jìn)行的。

5.6 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

TPS54x80EVM - 228對(duì)負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)在圖2 - 12和圖2 - 13中顯示，電流階躍為1.5A至4.5A，壓擺率為5A/μs。

5.7 環(huán)路特性

評(píng)估模塊的環(huán)路響應(yīng)特性在圖2 - 14和圖2 - 15中展示，增益和相位圖分別在3.3V（TPS54680）和5V（TPS54680和TPS54880）下測(cè)量。

5.8 輸出和輸入電壓紋波及主開(kāi)關(guān)波形

輸出和輸入電壓紋波以及主開(kāi)關(guān)波形在圖2 - 16和圖2 - 17中展示，測(cè)量條件包括不同的輸入電壓、輸出電壓和負(fù)載電流。

六、電路板布局

6.1 布局特點(diǎn)

TPS54x80EVM - 228的電路板布局采用典型的用戶應(yīng)用方式。頂層和底層為1.5oz銅，兩個(gè)內(nèi)層為0.5oz銅。頂層包含主要的電源走線、引腳連接和大面積的接地區(qū)域，對(duì)噪聲敏感的部件有獨(dú)立的安靜接地區(qū)域。第二層為專用接地平面，第三層包含大面積的接地、(V{1})和(v{0})區(qū)域，底層除信號(hào)走線外均為接地。

6.2 元件布局

輸入陶瓷電容器、偏置去耦電容器和自舉電容器都盡可能靠近IC放置，補(bǔ)償組件也保持與IC的近距離。

七、原理圖和物料清單

7.1 原理圖

評(píng)估模塊的原理圖如圖4 - 1所示，模擬和電源接地在IC封裝下的PowerPAD處連接。

7.2 物料清單

詳細(xì)的物料清單見(jiàn)表4 - 1，包括電容器、電感器、電阻器、二極管、開(kāi)關(guān)等元件的規(guī)格和數(shù)量。

八、異相同步

8.1 拍頻問(wèn)題

當(dāng)核心和I/O電壓由兩個(gè)運(yùn)行頻率略有不同的DC/DC調(diào)節(jié)器提供時(shí)，輸入電壓紋波中會(huì)包含低頻諧波，即拍頻。

8.2 同步解決方案

通過(guò)將兩個(gè)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器異相同步，可以避免拍頻效應(yīng)，并由于紋波抵消效應(yīng)節(jié)省一些輸入電容器。評(píng)估模塊中實(shí)現(xiàn)了可選的同步電路，包括C1、R1、R4、R5、D1、Q1等元件。同步后，輸入電壓紋波從非同步時(shí)的150mV峰 - 峰值降低到100mV峰 - 峰值。

九、總結(jié)

德州儀器的TPS54x80EVM - 228評(píng)估模塊為電子工程師提供了一個(gè)全面的平臺(tái)，用于評(píng)估和開(kāi)發(fā)具有精確電源排序功能的應(yīng)用。其高性能、靈活性和易于使用的特點(diǎn)，使其成為電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域的有力工具。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們可以根據(jù)具體需求對(duì)輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，通過(guò)合理的電路板布局和元件選擇，可以進(jìn)一步優(yōu)化模塊的性能。你在使用類似評(píng)估模塊時(shí)，是否也遇到過(guò)一些有趣的問(wèn)題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。