TPS54291EVM - 431降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊使用指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，降壓轉(zhuǎn)換器是一種常見且重要的電路元件，它能將較高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓，以滿足不同電子設(shè)備的供電需求。今天，我們就來(lái)深入了解一下德州儀器（Texas Instruments）的TPS54291EVM - 431降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊。

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一、模塊概述

1.1 模塊描述

TPS54291EVM - 431評(píng)估模塊是一款雙同步降壓轉(zhuǎn)換器，它能從12V總線分別提供固定的3.3V、1.5A和1.2V、2.5A輸出。該模塊設(shè)計(jì)為可從單一電源啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)無(wú)需額外的偏置電壓。它采用了帶有集成MOSFET的TPS54291 600kHz雙同步降壓轉(zhuǎn)換器。此外，通過更改部分組件，該EVM還能修改為其他輸出電壓。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

該模塊適用于非隔離負(fù)載點(diǎn)和電壓總線轉(zhuǎn)換器、消費(fèi)電子產(chǎn)品、液晶電視、計(jì)算機(jī)外設(shè)以及數(shù)字機(jī)頂盒等領(lǐng)域。

1.3 模塊特性

• 輸入范圍：12V ±10% / –20%。
• 輸出電壓：固定輸出5.0V和3.3V，可通過改變電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。
• 穩(wěn)態(tài)電流：3.3V輸出時(shí)為1.5A，1.2V輸出時(shí)為2.5A。
• 開關(guān)頻率：600kHz（由TPS54291固定）。
• 內(nèi)部結(jié)構(gòu)：采用內(nèi)部開關(guān)MOSFET和外部整流二極管。
• PCB設(shè)計(jì)：雙面2有源層PCB，所有組件位于頂層，測(cè)試點(diǎn)信號(hào)路由在內(nèi)部層。
• 有源轉(zhuǎn)換區(qū)域：1.1平方英寸（0.86" × 1.28"）。
• 測(cè)試便利性：提供方便的測(cè)試點(diǎn)，可用于探測(cè)開關(guān)波形和進(jìn)行非侵入式環(huán)路響應(yīng)測(cè)試。

二、電氣性能規(guī)格

2.1 輸入特性

2.2 輸出特性

2.3 系統(tǒng)特性

三、原理圖分析

3.1 使能跳線（JP1和JP2）

TPS54291EVM - 431提供了單獨(dú)的三引腳100密耳插頭和分流器，用于實(shí)現(xiàn)TPS54291的使能功能。將JP1分流器置于左側(cè)位置可將EN1連接到地，從而開啟輸出1；將JP2分流器置于左側(cè)位置可將EN2連接到地，從而開啟輸出2。

3.2 誤差放大器輸出

TPS54291跨導(dǎo)誤差放大器（COMP1和COMP2）的輸出對(duì)電容負(fù)載敏感，包括示波器探頭通常增加的8 - 15pF電容。在不使用外部緩沖器的情況下，不應(yīng)直接測(cè)量這些信號(hào)，以防止控制電壓負(fù)載。

3.3 測(cè)試點(diǎn)描述

四、測(cè)試設(shè)置

4.1 所需設(shè)備

• 電壓源（VIN）：0 - 15V可變直流源，能夠提供2A直流電流。
• 儀表：包括0 - 2A直流電流表（A1）、0 - 15V電壓表（V1）、0 - 6V電壓表（V2）和0 - 4V電壓表（V3）。
• 負(fù)載：輸出1負(fù)載（LOAD1）為能夠在3.3V下提供0 - 1.5A的電子恒流模式負(fù)載；輸出2負(fù)載（LOAD2）為能夠在1.2V下提供0 - 2.5A的電子恒流模式負(fù)載。
• 示波器：數(shù)字或模擬示波器，用于測(cè)量VOUT1或VOUT2的紋波電壓，設(shè)置為1MΩ阻抗、20MHz帶寬、交流耦合、1μs/格水平分辨率和10mV/格垂直分辨率。
• 推薦線規(guī)：VIN到J1的連接推薦使用AWG #16線，總長(zhǎng)度小于4英尺；J2到LOAD1的連接推薦使用AWG #18線，總長(zhǎng)度小于2英尺；J3到LOAD2的連接推薦使用AWG #18線，總長(zhǎng)度小于2英尺。
• 其他：建議使用一個(gè)能夠提供200 - 400lfm風(fēng)量的小風(fēng)扇，以降低組件表面溫度，防止用戶受傷。

4.2 設(shè)備設(shè)置步驟

1. 在ESD工作站工作，確保在給EVM通電前，將任何腕帶、靴帶或墊子連接到接地端，同時(shí)佩戴靜電服和安全眼鏡。
2. 在連接直流輸入源VIN之前，建議將源電流限制在最大2.0A，并確保VIN初始設(shè)置為0V，按照?qǐng)D4 - 1進(jìn)行連接。
3. 按照?qǐng)D4 - 1所示，在VIN和J1之間連接電流表A1（0 - 5A范圍）。
4. 按照?qǐng)D4 - 1所示，將電壓表V1連接到TP1和TP2。
5. 按照?qǐng)D4 - 1所示，將LOAD1連接到J2，并在施加VIN之前將LOAD1設(shè)置為恒流模式以吸收0A電流。
6. 按照?qǐng)D4 - 1所示，將電壓表V2跨接在TP3和TP4上。
7. 按照?qǐng)D4 - 1所示，將LOAD2連接到J3，并在施加VIN之前將LOAD2設(shè)置為恒流模式以吸收0A電流。
8. 按照?qǐng)D4 - 1所示，將電壓表V3跨接在TP18和TP19上。
9. 按照?qǐng)D4 - 2所示放置風(fēng)扇并打開，確?？諝饬鬟^EVM。

4.3 啟動(dòng)/關(guān)閉程序

• 啟動(dòng)：將VIN從0Vdc增加到12Vdc；將LOAD1從0Adc變化到1.5Adc；將LOAD2從0Adc變化到2.5Adc；將VIN從9.6Vdc變化到13.2Vdc。
• 關(guān)閉：將VIN降低到0Vdc；將LOAD1降低到0A；將LOAD2降低到0A。

4.4 輸出紋波電壓測(cè)量程序

1. 將VIN從0Vdc增加到12Vdc。
2. 將LOAD1調(diào)整到0Adc和1.5Adc之間的所需負(fù)載。
3. 將LOAD2調(diào)整到0Adc和2.5Adc之間的所需負(fù)載。
4. 將VIN調(diào)整到9.6Vdc和13.2Vdc之間的所需負(fù)載。
5. 按照?qǐng)D4 - 2所示，將示波器探頭連接到TP3和TP4或TP18和TP19。
6. 測(cè)量輸出紋波。
7. 將VIN降低到0Vdc。
8. 將LOAD1降低到0A。
9. 將LOAD2降低到0A。

4.5 控制環(huán)路增益和相位測(cè)量程序

1. 按照?qǐng)D4 - 3所示，將1kHz - 1MHz隔離變壓器連接到TP6和TP8。
2. 按照?qǐng)D4 - 3所示，將輸入信號(hào)幅度測(cè)量探頭（通道A）連接到TP8。
3. 按照?qǐng)D4 - 3所示，將輸出信號(hào)幅度測(cè)量探頭（通道B）連接到TP6。
4. 按照?qǐng)D4 - 3所示，將通道A和通道B的接地引線連接到TP5和TP7。
5. 通過隔離變壓器在R1上注入30mV或更小的信號(hào)。
6. 以1Hz或更低的后置濾波器將頻率從1kHz掃描到1MHz。
7. 控制環(huán)路增益可通過公式[20 × LOGleft(frac{ ChannelB }{ ChannelA }right)]測(cè)量。
8. 控制環(huán)路相位通過通道A和通道B之間的相位差測(cè)量。
9. 對(duì)于通道2的控制環(huán)路測(cè)量，將TP6改為TP16，TP8改為TP14，TP5改為TP17，TP7改為TP15。
10. 在進(jìn)行任何其他測(cè)量之前，斷開隔離變壓器，因?yàn)榉答佒械男盘?hào)注入會(huì)干擾其他測(cè)量的準(zhǔn)確性。

4.6 設(shè)備關(guān)閉

依次關(guān)閉示波器、VIN、LOAD1、LOAD2和風(fēng)扇。

五、典型性能數(shù)據(jù)和特性曲線

5.1 效率

圖5 - 1展示了TPS54291EVM - 431的效率與負(fù)載電流的關(guān)系曲線。實(shí)際性能數(shù)據(jù)可能會(huì)受到測(cè)量技術(shù)和環(huán)境變量的影響，這些曲線僅供參考。

5.2 線性和負(fù)載調(diào)節(jié)

圖5 - 2展示了輸出電壓與負(fù)載電流的關(guān)系曲線，體現(xiàn)了該模塊在不同負(fù)載下的電壓穩(wěn)定性。

5.3 開關(guān)節(jié)點(diǎn)和輸出紋波電壓

圖5 - 3展示了輸出電壓紋波的情況，有助于我們了解模塊在實(shí)際工作中的紋波特性。

六、EVM組裝圖和布局

TPS54291EVM - 431采用4層、2盎司覆銅電路板，尺寸為3.0英寸×3.0英寸，所有組件位于頂層0.86英寸×1.28英寸的有源區(qū)域內(nèi)，所有有源走線位于頂層和底層，方便用戶在實(shí)際雙面應(yīng)用中輕松查看、探測(cè)和評(píng)估TPS54291控制IC。對(duì)于空間受限的系統(tǒng)，將組件移動(dòng)到PCB的兩側(cè)或使用額外的內(nèi)部層可以進(jìn)一步減小尺寸。

七、材料清單

文檔中的表7 - 1列出了根據(jù)圖3 - 1原理圖配置的EVM組件，包括電容、電阻、電感、IC等各種元件的詳細(xì)信息，如數(shù)量、參考編號(hào)、值、描述、尺寸、部件編號(hào)和制造商等。

通過對(duì)TPS54291EVM - 431降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊的詳細(xì)介紹，相信大家對(duì)該模塊有了更深入的了解。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)這些特性和測(cè)試方法，更好地評(píng)估和使用該模塊，為電子設(shè)計(jì)提供可靠的電源解決方案。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。