TPS54A20 SWIFT? 降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊使用指南詳解

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，降壓轉(zhuǎn)換器是常見(jiàn)且關(guān)鍵的元件，而德州儀器（Texas Instruments）的 TPS54A20 SWIFT? 降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊（TPS54A20EVM - 770）更是備受關(guān)注。本文將基于其用戶指南，為電子工程師們?cè)敿?xì)介紹這款評(píng)估模塊的相關(guān)內(nèi)容。

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一、使用前須知

在使用 TPS54A20EVM - 770 評(píng)估模塊時(shí)，安全問(wèn)題至關(guān)重要。該模塊在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)發(fā)熱，因此要避免接觸電路板，同時(shí)遵循實(shí)驗(yàn)室適用的安全程序。此外，不要在無(wú)人看管時(shí)讓評(píng)估模塊通電，因?yàn)殡娐钒宓撞靠赡艽嬖?a target="_blank">信號(hào)走線、元件和元件引腳，會(huì)有暴露電壓、發(fā)熱表面或尖銳邊緣，操作時(shí)切勿伸手到電路板下方。還要注意監(jiān)測(cè)溫度，防止模塊因過(guò)熱受損，若使用多個(gè)電源，需檢查設(shè)備要求，必要時(shí)使用隔離技術(shù)，防止設(shè)備損壞。

二、背景知識(shí)

1. TPS54A20 轉(zhuǎn)換器特性

TPS54A20 是一款兩相同步串聯(lián)電容降壓轉(zhuǎn)換器，能夠提供高達(dá) 10A 的輸出電流。其輸入電壓（VIN）額定范圍為 8V 至 14V，評(píng)估模塊的額定輸入電壓和輸出電流范圍在表 1 - 1 中有詳細(xì)說(shuō)明。該評(píng)估模塊旨在展示使用 TPS54A20 穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)時(shí)可實(shí)現(xiàn)的小印刷電路板面積。開(kāi)關(guān)頻率外部設(shè)定為每側(cè)標(biāo)稱 2MHz，有效頻率為 4MHz。高側(cè)和低側(cè) MOSFET 與柵極驅(qū)動(dòng)電路集成在 TPS54A20 封裝內(nèi)，MOSFET 的低漏源導(dǎo)通電阻使 TPS54A20 能實(shí)現(xiàn)高效率，并有助于在高輸出電流時(shí)保持較低的結(jié)溫。補(bǔ)償元件集成在集成電路（IC）內(nèi)部，外部分壓器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)。此外，TPS54A20 還提供可調(diào)慢啟動(dòng)和欠壓鎖定輸入功能。其絕對(duì)最大輸入電壓在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下為 15V，非開(kāi)關(guān)狀態(tài)下為 17V。

2. 性能規(guī)格總結(jié)

表 1 - 2 給出了 TPS54A20EVM - 770 的性能規(guī)格總結(jié)。在輸入電壓 (V{IN } = 12V)、輸出電壓為 1.2V 的條件下（除非另有說(shuō)明），該評(píng)估模塊的各項(xiàng)性能指標(biāo)表現(xiàn)出色。例如，輸入電壓范圍為 9.2V 至 14V，輸出電流范圍為 0A 至 10A，線路調(diào)節(jié)率在 (I{O}=5A)、(V{IN}=9.2V) 至 14V 時(shí)為 ±0.04%，負(fù)載調(diào)節(jié)率在 (V{IN}=12V)、(I_{O}=0A) 至 10A 時(shí)為 ±0.03% 等。

3. 模塊修改

輸出電壓設(shè)定點(diǎn)

輸出電壓由電阻分壓器網(wǎng)絡(luò) (R9 (R{(TOP)})) 和 (R7 (R{(BOT)})) 設(shè)定，其中 (R7) 固定為 14.3kΩ。若要改變?cè)u(píng)估模塊的輸出電壓，需改變電阻 (R9) 的值?？墒褂霉?(R{(TOP)}=frac{R{(BOT)} times (V{OUT}-V{REF})}{V_{REF}}) 計(jì)算特定輸出電壓下 (R9) 的值。

導(dǎo)通時(shí)間

TON 引腳需要一個(gè)電阻來(lái)設(shè)定標(biāo)稱導(dǎo)通時(shí)間，并支持輸入電壓前饋電路。所選電阻值也會(huì)影響控制器內(nèi)部的斜坡。可使用公式 (R{(TON)} = 3k + 15k times V{OUT}) 選擇 TON 電阻。在本設(shè)計(jì)示例中，所選的 (R{TON}) 電阻為 22.1kΩ。在啟動(dòng)期間，轉(zhuǎn)換器使用通過(guò) TON 編程的標(biāo)稱導(dǎo)通時(shí)間，啟動(dòng)完成后鎖相環(huán)（PLL）才會(huì)激活，PLL 激活后導(dǎo)通時(shí)間會(huì)進(jìn)行調(diào)整。若通過(guò) TON 引腳編程的標(biāo)稱導(dǎo)通時(shí)間與 PLL 激活時(shí)的導(dǎo)通時(shí)間相差較大，可能會(huì)降低器件的 SYNC 范圍。此外，調(diào)整 (R{TON}) 值還可調(diào)節(jié)控制器，降低 (R_{TON}) 值會(huì)增加內(nèi)部斜坡高度，這會(huì)降低轉(zhuǎn)換器對(duì)噪聲和抖動(dòng)的敏感性，但也會(huì)降低其瞬態(tài)響應(yīng)能力。

可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）

欠壓鎖定（UVLO）可通過(guò) (R2 (R{EN(TOP)})) 和 (R3 (R{EN(BOT)})) 進(jìn)行外部調(diào)節(jié)。評(píng)估模塊使用 (R2 = 80.6kΩ) 和 (R3 = 12.4kΩ) 設(shè)定啟動(dòng)電壓為 9.385V，停止電壓為 9.144V?？墒褂霉?(R{EN(TOP)}=frac{V{IN(RISE)}-V{IN(FALL)}}{I{EN(FALL)}-I{EN(RISE)}}) 和 (R{EN(BOT)}=frac{R{EN(TOP)} times V{EN}}{V{IN(FALL)}-V{EN}+R{EN(TOP)} times I{EN(FALL)}}) 計(jì)算不同啟動(dòng)和停止電壓所需的電阻值。

三、測(cè)試設(shè)置與結(jié)果

1. 輸入/輸出連接

TPS54A20EVM - 770 配備了輸入/輸出連接器和測(cè)試點(diǎn)。必須使用一對(duì) 20AWG 或更粗的電線將能夠提供大于 2A 電流的電源連接到 J1，負(fù)載則通過(guò)一對(duì) 20AWG 或更粗的電線連接到 J4，最大負(fù)載電流能力為 10A。為減少電線損耗，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 提供方便的接地參考；TP7 用于監(jiān)測(cè)輸出電壓，TP8 作為接地參考。

2. 效率

該評(píng)估模塊的效率在負(fù)載電流約為 5A 時(shí)達(dá)到峰值，隨后隨著負(fù)載電流接近滿載而下降。圖 2 - 1 和圖 2 - 2 分別展示了在環(huán)境溫度為 25°C 時(shí)，不同輸入電壓下的效率曲線。需要注意的是，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。

3. 輸出電壓調(diào)節(jié)

負(fù)載調(diào)節(jié)

圖 2 - 3 展示了 TPS54A20EVM - 770 的負(fù)載調(diào)節(jié)情況，測(cè)量是在環(huán)境溫度為 25°C 下進(jìn)行的。

線路調(diào)節(jié)

圖 2 - 4 展示了其線路調(diào)節(jié)情況，反映了輸入電壓變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性。

4. 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

圖 2 - 5 展示了 TPS54A20EVM - 770 對(duì)負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)，電流階躍從 0A 到 9A，電流階躍上升速率為 9A/μs。需注意 Q1 可能會(huì)發(fā)熱，要將功率耗散限制在 3W 或更低，并使用低占空比。

5. 環(huán)路特性

圖 2 - 6 展示了 TPS54A20EVM - 770 的環(huán)路響應(yīng)特性，給出了 (V_{IN}) 電壓為 12V、負(fù)載電流為 5A 時(shí)的增益和相位圖。

6. 輸出電壓紋波

圖 2 - 7、圖 2 - 8 和圖 2 - 9 分別展示了負(fù)載電流為 0A、5A 和 10A 時(shí)的輸出電壓紋波，測(cè)量是在 (V_{IN}=12V) 條件下，直接跨接 TP7 和 TP8 進(jìn)行的。

7. 輸入電壓紋波

圖 2 - 10、圖 2 - 11 和圖 2 - 12 分別展示了負(fù)載電流為 0A、5A 和 10A 時(shí)的輸入電壓紋波，測(cè)量是在 (V_{IN}=12V) 條件下，直接跨接 TP1 和 TP2 進(jìn)行的。

8. 上電情況

圖 2 - 13 和圖 2 - 14 展示了 TPS54A20EVM - 770 的啟動(dòng)波形。在圖 2 - 13 中，當(dāng)輸入電壓達(dá)到由 (R2) 和 (R3) 電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的 UVLO 閾值時(shí)，輸出電壓開(kāi)始上升；在圖 2 - 14 中，初始施加輸入電壓，通過(guò) J2 上的跳線將 EN 連接到 GND 來(lái)抑制輸出，移除跳線釋放 EN，當(dāng) EN 電壓達(dá)到使能閾值電壓時(shí)，啟動(dòng)序列開(kāi)始，輸出電壓上升到外部設(shè)定的 1.2V。

9. 熱成像

圖 2 - 15 展示了評(píng)估模塊的熱成像，輸入電壓為 12V，輸出電流為 10A，在模塊以 10A 滿載運(yùn)行超過(guò) 45 分鐘后捕獲圖像，最大外殼溫度為 76.3°C。

四、電路板布局

TPS54A20EVM - 770 的電路板布局如圖 3 - 1 至圖 3 - 5 所示。頂層布局遵循用戶應(yīng)用的典型方式，頂層、底層和內(nèi)層均采用 2oz 銅。頂層包含 (VIN)、(VOUT)、SWA 和 SWB 的主電源走線，以及 TPS54A20 其余引腳的連接和大面積接地。內(nèi)層 1 是專用接地平面，內(nèi)層 2 包含額外的大面積接地銅區(qū)和額外的 (V_{OUT}) 銅填充。底層是另一個(gè)接地平面，帶有用于輸出電壓反饋的額外走線。頂層接地走線通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連接到底層和內(nèi)層接地平面，包括 TPS54A20 器件正下方的五個(gè)過(guò)孔，以提供從頂層接地平面到底層接地平面的熱路徑。輸入去耦電容和自舉電容都盡可能靠近 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)在調(diào)節(jié)點(diǎn)（TP7 測(cè)試點(diǎn)處的銅 (Vout) 走線）連接到輸出電壓。對(duì)于 TPS54A20，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)鍵模擬電路如電壓設(shè)定點(diǎn)分壓器、頻率設(shè)定電阻和補(bǔ)償組件使用與電源接地層分開(kāi)的寬接地走線接地。

五、原理圖和物料清單

1. 原理圖

圖 4 - 1 為 TPS54A20EVM - 770 的原理圖，清晰展示了各個(gè)元件的連接關(guān)系和電路結(jié)構(gòu)。

2. 物料清單

表 4 - 1 列出了 TPS54A20EVM - 770 的物料清單，包含了每個(gè)元件的設(shè)計(jì)編號(hào)、數(shù)量、值、描述、封裝、零件編號(hào)和制造商等詳細(xì)信息，為工程師進(jìn)行元件采購(gòu)和電路搭建提供了準(zhǔn)確的參考。

六、修訂歷史

文檔記錄了從不同版本的修訂情況，包括標(biāo)題更新、表格和圖形編號(hào)格式更新、元件參數(shù)修改以及原理圖和物料清單的更新等。

總之，TPS54A20EVM - 770 評(píng)估模塊為電子工程師提供了一個(gè)全面了解和測(cè)試 TPS54A20 降壓轉(zhuǎn)換器的平臺(tái)。通過(guò)對(duì)其性能的測(cè)試和分析，工程師們可以更好地將該轉(zhuǎn)換器應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中。大家在使用過(guò)程中有沒(méi)有遇到過(guò)類似模塊的特殊問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。