探索TPS43061EVM - 198評(píng)估模塊：性能、測(cè)試與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

一、引言

在電子工程師的日常工作中，評(píng)估模塊是驗(yàn)證和測(cè)試芯片性能的重要工具。今天我們要深入探討的是TPS43061EVM - 198評(píng)估模塊（PWR198），它為我們展示了TPS43061這款DC - DC同步升壓控制器的強(qiáng)大性能。

文件下載：TPS43061EVM-198.pdf

1.1 背景知識(shí)

TPS43061是一款專為輸入電壓源在4.5V至38V、最大輸出電壓60V設(shè)計(jì)的DC - DC同步升壓控制器。它擁有5.5V的柵極驅(qū)動(dòng)電源，優(yōu)化后可與低Qg的NexFET配合使用。評(píng)估模塊的額定輸入電壓范圍為6V至12.6V，輸出電流范圍為0A至2A。該模塊的開(kāi)關(guān)頻率外部設(shè)定為標(biāo)稱750kHz，外部高端和低端FET的柵極驅(qū)動(dòng)電路集成在TPS43061封裝內(nèi)。PWR198使用了集成高端和低端FET的CSD86330Q3D NexFET功率模塊。通過(guò)外部電感DCR或電阻電流感應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)可調(diào)的逐周期電流限制。補(bǔ)償組件位于集成電路（IC）外部，外部電阻分壓器可實(shí)現(xiàn)可調(diào)輸出電壓。此外，TPS43061還通過(guò)外部電阻分壓器提供帶遲滯的可調(diào)欠壓鎖定、通過(guò)外部電容實(shí)現(xiàn)可調(diào)慢啟動(dòng)時(shí)間以及電源良好輸出電壓指示?；谒x外部組件，PWR198的絕對(duì)最大輸入電壓為25V。

1.2 性能規(guī)格總結(jié)

1.3 模塊修改

該評(píng)估模塊可以進(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)：要改變EVM的輸出電壓，需要改變電阻R8的值?？梢允褂霉?R{C S}=frac{V{C S} typ }{1.2 × L_{P e a k}})計(jì)算特定輸出電壓下R8的值，建議R9的值接近10kΩ。同時(shí)，VIN必須在一定范圍內(nèi)，以確保最小導(dǎo)通時(shí)間大于典型的100ns，最小關(guān)斷時(shí)間大于典型的250ns和開(kāi)關(guān)周期的5%中的較大值。
• 電流感應(yīng)：EVM的默認(rèn)配置為電阻電流感應(yīng)。當(dāng)調(diào)整輸入電壓、輸出電壓或期望的最大輸出電壓時(shí)，可能需要調(diào)整電流感應(yīng)電阻R16和R17。首先使用公式計(jì)算峰值電感電流，然后使用公式(C{S S}=frac{t{S S} × I{S S}}{V{R E F}})計(jì)算所需的電流感應(yīng)電阻。對(duì)于電感DCR電流感應(yīng)，R14應(yīng)開(kāi)路，而R15、R16和R17應(yīng)短路。
• 慢啟動(dòng)時(shí)間：通過(guò)改變C7的值來(lái)調(diào)整慢啟動(dòng)時(shí)間?？梢允褂霉?C{S S}=frac{t{S S} × I{S S}}{V{R E F}})根據(jù)期望的慢啟動(dòng)時(shí)間計(jì)算所需的電容值。EVM使用(C7 = 0.1mu F)設(shè)置了25ms的慢啟動(dòng)時(shí)間。
• 可調(diào)UVLO：欠壓鎖定（UVLO）可以通過(guò)R3和R4進(jìn)行外部調(diào)整。EVM使用(R3 = 221kΩ)和(R4 = 59.0kΩ)設(shè)置了5.34V的啟動(dòng)電壓和4.31V的停止電壓。可以使用公式(R{U V L O _L}=frac{R{U V L O _H} × V{E N _D I S}}{V{STOP }-V{E N _D I S}+R{U V L O _H} timesleft(I{E N _p u p}+I{E N _hys }right)})和(R{U V L O{-} H}=frac{V{START } timesleft(frac{V{E N _D I S}}{V{E _ON }}right)-V{STOP }}{I_{ENpup } timesleft(1-frac{V{E N _D I S}}{V{E N _ON }}right)+I{EN_hys }})分別計(jì)算不同啟動(dòng)和停止電壓下R3和R4所需的電阻值。
• 輸入電壓軌：EVM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)，VIN輸入通過(guò)R11短路相同。如果需要，可以通過(guò)移除R11分離兩個(gè)輸入電壓軌，控制邏輯輸入電壓可以提供給J4，功率級(jí)輸入電壓提供給J6。
• 進(jìn)一步修改：改變EVM的輸入和輸出條件會(huì)影響設(shè)計(jì)，可能需要修改電感、輸出電容和補(bǔ)償組件以實(shí)現(xiàn)所需的性能。此外，CSD86330Q3D功率模塊將輸出電壓限制在最大推薦輸出電壓22V。

二、測(cè)試設(shè)置與結(jié)果

2.1 輸入/輸出連接

EVM包括輸入/輸出連接器和測(cè)試點(diǎn)。必須通過(guò)一對(duì)20 - AWG電線將能夠提供至少6A的電源連接到J6，負(fù)載必須通過(guò)一對(duì)20 - AWG電線連接到J2，最大負(fù)載電流能力為2A。應(yīng)盡量減小電線長(zhǎng)度以減少電線中的損耗。測(cè)試點(diǎn)TP8用于監(jiān)測(cè)VIN輸入電壓，TP9提供方便的接地參考；TP3用于監(jiān)測(cè)輸出電壓，TP4作為接地參考。

2.2 效率

該EVM的效率在負(fù)載電流約為2A、VIN = 12V時(shí)達(dá)到峰值，然后隨著負(fù)載電流接近最大負(fù)載而降低。效率可能會(huì)因所選外部MOSFET的漏源電阻隨溫度變化而在較高環(huán)境溫度下降低。

2.3 輸出電壓調(diào)節(jié)

負(fù)載調(diào)節(jié)和線性調(diào)節(jié)的測(cè)量結(jié)果表明，在環(huán)境溫度為25°C時(shí)，EVM具有良好的電壓調(diào)節(jié)性能。

2.4 負(fù)載瞬態(tài)和環(huán)路響應(yīng)

EVM對(duì)負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)顯示，在輸入電壓為9V時(shí)，從25%到75%的最大額定負(fù)載電流階躍下，總峰 - 峰電壓變化包括輸出紋波和噪聲。環(huán)路響應(yīng)特性展示了在VIN電壓為9V、負(fù)載電流為2A時(shí)的增益和相位圖。

2.5 輸出電壓紋波

分別展示了連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）、不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）和脈沖跳過(guò)模式下的輸出電壓紋波。

2.6 輸入電壓紋波

展示了CCM和DCM下的輸入電壓紋波。

2.7 啟動(dòng)

啟動(dòng)波形顯示了輸入電壓上升時(shí)，VCC和VOUT軌的初始上升情況，以及達(dá)到欠壓鎖定閾值后設(shè)備開(kāi)始切換，輸出電壓上升到設(shè)定值15V的過(guò)程。

2.8 關(guān)機(jī)

關(guān)機(jī)波形顯示了輸入電壓移除或EN接地時(shí)，TPS43061關(guān)閉，PGOOD拉低，輸出電壓下降的過(guò)程。

2.9 柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)

展示了高端和低端FET的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)與開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的情況。

三、原理圖與物料清單

3.1 原理圖

提供了EVM的原理圖，幫助工程師了解電路的連接和工作原理。

3.2 物料清單

詳細(xì)列出了EVM的物料清單，包括電容、電阻、電感、MOSFET、IC等組件的數(shù)量、參考設(shè)計(jì)號(hào)、值、描述、尺寸、零件號(hào)和制造商等信息。

四、電路板布局

4.1 布局

EVM的電路板設(shè)計(jì)有4層2 - oz銅。頂層包含VIN、VOUT和SW的主要功率走線，以及所有其他組件，方便用戶查看、探測(cè)和評(píng)估TPS43061控制IC。其余三層有額外的銅用于VIN、VOUT、AGND和PGND，并通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連接。所有對(duì)噪聲敏感的模擬電路應(yīng)盡可能靠近IC放置，輸出電容應(yīng)靠近Q1放置以限制高頻開(kāi)關(guān)電流路徑的長(zhǎng)度，SW銅面積應(yīng)盡量小以限制高頻開(kāi)關(guān)電壓節(jié)點(diǎn)的輻射噪聲。

4.2 估計(jì)電路面積

通過(guò)勾勒設(shè)計(jì)中使用的組件及其之間的布線，估計(jì)印刷電路板面積為(0.91in^{2}(590mm^{2}))，該面積不包括測(cè)試點(diǎn)或連接器。由于設(shè)計(jì)使用0603組件便于修改且所有組件都放置在一層，面積可能會(huì)進(jìn)一步減小。

五、使用注意事項(xiàng)

在使用TPS43061EVM - 198評(píng)估模塊時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

• 用戶需承擔(dān)正確和安全處理貨物的全部責(zé)任和義務(wù)，并賠償TI因貨物處理或使用產(chǎn)生的所有索賠。
• 若評(píng)估板不符合用戶指南中的規(guī)格，可在交付日期起30天內(nèi)退貨以獲得全額退款。
• 該評(píng)估板僅用于實(shí)驗(yàn)室/開(kāi)發(fā)環(huán)境中的初步可行性評(píng)估，不適合作為成品消費(fèi)產(chǎn)品使用。
• 操作時(shí)應(yīng)在TI推薦的規(guī)格和環(huán)境條件內(nèi)進(jìn)行，超出指定的EVM額定值可能會(huì)導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失、人身傷害或死亡。
• 對(duì)于安全關(guān)鍵或生命關(guān)鍵應(yīng)用，需特別通知TI并簽訂單獨(dú)的保證和賠償協(xié)議。

總之，TPS43061EVM - 198評(píng)估模塊為工程師提供了一個(gè)全面了解和測(cè)試TPS43061控制器性能的平臺(tái)。通過(guò)合理的修改和正確的使用方法，工程師可以根據(jù)實(shí)際需求優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更好的性能。大家在實(shí)際使用中是否遇到過(guò)類似評(píng)估模塊的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。