TPS55340EVM - 148評(píng)估模塊：8V至24V輸入、5V輸出反激式電源的詳細(xì)解析

在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因其簡(jiǎn)潔性和高效性，被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。德州儀器（TI）的TPS55340EVM - 148評(píng)估模塊，為工程師們提供了一個(gè)便捷的平臺(tái)，用于評(píng)估TPS55340 DC/DC轉(zhuǎn)換器在反激式拓?fù)渲械男阅?。本文將深入剖析該評(píng)估模塊的各項(xiàng)特性、性能指標(biāo)、可修改之處以及測(cè)試結(jié)果，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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1. 背景介紹

TPS55340 DC/DC調(diào)節(jié)器通常用于升壓拓?fù)?，但TPS55340EVM - 148評(píng)估模塊展示了它在反激式拓?fù)渲械膽?yīng)用。該評(píng)估模塊的額定輸入電壓范圍為8V至24V（標(biāo)稱(chēng)12V），最大輸出電流為2.5A。其開(kāi)關(guān)頻率外部設(shè)定為標(biāo)稱(chēng)350kHz，內(nèi)部集成了40V、5A的低側(cè)MOSFET和柵極驅(qū)動(dòng)電路，低的漏源導(dǎo)通電阻使得該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)高效率。補(bǔ)償組件位于集成電路（IC）外部，在本示例應(yīng)用中，TPS55340EVM - 148的絕對(duì)最大輸入電壓為24V。

2. 性能規(guī)格總結(jié)

2.1 基本參數(shù)

2.2 解析

從這些參數(shù)中我們可以看出，該評(píng)估模塊在輸入電壓范圍、輸出電流范圍以及各項(xiàng)調(diào)整率方面都表現(xiàn)出了較好的性能。例如，線路調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率都控制在±0.1%以?xún)?nèi)，這意味著輸出電壓在輸入電壓和負(fù)載變化時(shí)能夠保持相對(duì)穩(wěn)定。而峰值效率達(dá)到87.9%，也顯示了該模塊在能量轉(zhuǎn)換方面的高效性。那么，在實(shí)際應(yīng)用中，這些參數(shù)會(huì)如何影響電源的性能呢？這值得我們進(jìn)一步思考。

3. 模塊修改

3.1 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)

輸出電壓由R8和R14組成的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)定，建議將R14固定在或接近10kΩ。通過(guò)公式(R8 = R14×(frac{V{OUT}}{V{REF}} - 1))可以計(jì)算出特定輸出電壓下R8的值，其中(V{REF})為U3的參考電壓。當(dāng)輸出電壓大于6V時(shí)，建議使用(V{REF}=2.495V)的TL431作為U3，最大推薦輸出電壓為36V。同時(shí)，要注意輸入電壓的范圍，以確保導(dǎo)通時(shí)間大于最小可控導(dǎo)通時(shí)間（典型值77ns），且最大占空比小于89%（最小值）和93%（典型值）。在反激式應(yīng)用中，建議將占空比限制在最大50%，以減少外部組件的應(yīng)力并避免電流模式控制固有的次諧波操作。

3.2 最大輸出電流

調(diào)整輸入或輸出電壓設(shè)置后，需要根據(jù)公式(I{OUT} max = (L{IM}-frac{V{IN} min × D max}{2 × L{PRI} × f{SW}}) × frac{V{IN} min × D max × eta{EST}}{V{OUT}})來(lái)驗(yàn)證最大輸出電流，其中(I{LIM})是TPS55340的峰值電流限制，(D{max})是最小輸入電壓下的CCM占空比，(eta_{EST})是估計(jì)的最大負(fù)載電流效率。

3.3 軟啟動(dòng)時(shí)間

主軟啟動(dòng)時(shí)間可以通過(guò)改變C12的值來(lái)調(diào)整，評(píng)估模塊使用(C12 = 0.1μF)來(lái)控制COMP引腳電壓的斜坡。較大的電容會(huì)增加軟啟動(dòng)時(shí)間，較小的電容則會(huì)減少軟啟動(dòng)時(shí)間。此外，C18基于其與R6的RC時(shí)間常數(shù)為次級(jí)側(cè)參考提供軟啟動(dòng)，評(píng)估模塊使用(C18 = 1.0μF)以避免啟動(dòng)時(shí)的過(guò)沖。建議次級(jí)側(cè)參考的軟啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)于初級(jí)側(cè)軟啟動(dòng)時(shí)間，以避免過(guò)沖。

3.4 其他修改

當(dāng)改變開(kāi)關(guān)頻率、輸入/輸出電壓范圍、變壓器、輸出電容或補(bǔ)償時(shí)，可能需要進(jìn)行額外的設(shè)計(jì)更改。為了獲得最佳性能，建議更換為針對(duì)應(yīng)用要求優(yōu)化的變壓器。

4. 測(cè)試設(shè)置與結(jié)果

4.1 輸入/輸出連接

TPS55340EVM - 148配備了輸入/輸出連接器和測(cè)試點(diǎn)。通過(guò)一對(duì)20 AWG電線將能夠提供5A電流的電源連接到J6，JP1上的跳線應(yīng)置于ON位置（1 - 2）。通過(guò)一對(duì)20 AWG電線將負(fù)載連接到J7，負(fù)載的最大電流能力至少為2.5A。應(yīng)盡量減少電線長(zhǎng)度以減少電線中的損耗。測(cè)試點(diǎn)TP1用于監(jiān)測(cè)(V_{IN})輸入電壓，TP3作為接地參考；TP2用于監(jiān)測(cè)輸出電壓，TP4作為接地參考。

4.2 效率

該評(píng)估模塊的效率在8V輸入時(shí)，負(fù)載電流約為600mA達(dá)到峰值；在24V輸入時(shí)，負(fù)載電流為1.5A達(dá)到峰值，隨后隨著負(fù)載電流接近滿載而降低。較高的環(huán)境溫度可能會(huì)導(dǎo)致效率降低，這是由于內(nèi)部MOSFET的漏源電阻隨溫度變化所致。

4.3 輸出電壓線路和負(fù)載調(diào)整率

通過(guò)相關(guān)圖表可以直觀地看到該評(píng)估模塊在不同負(fù)載和輸入電壓下的輸出電壓調(diào)整情況，負(fù)載調(diào)整率和線路調(diào)整率都表現(xiàn)良好，這對(duì)于穩(wěn)定的電源輸出至關(guān)重要。

4.4 負(fù)載瞬態(tài)和環(huán)路響應(yīng)

在負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試中，電流從最大額定負(fù)載的25%階躍到75%（(V_{IN}=12V)），電流階躍斜率為100 mA/μs，輸出電壓的總峰 - 峰電壓變化包括紋波和噪聲。環(huán)路響應(yīng)測(cè)量通過(guò)將R3替換為49.9Ω電阻，并在測(cè)試點(diǎn)TP2和TP6之間注入信號(hào)來(lái)進(jìn)行。

4.5 輸出電壓紋波

在不同的工作模式和負(fù)載條件下，對(duì)輸出電壓紋波進(jìn)行了測(cè)試。例如，在滿載（2.5A，(V_{IN}=12V)）時(shí)，直接測(cè)量C6兩端的紋波電壓；在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下，輸入電壓為12V，輸出負(fù)載為20Ω（250mA）時(shí)的紋波情況；以及在輕載時(shí)的脈沖跳過(guò)模式下的輸出電壓紋波。

4.6 輸入電壓紋波

同樣，在滿載（2.5A，(V_{IN}=12V)）和DCM模式下，分別測(cè)量了輸入電壓紋波，直接測(cè)量輸入電容C2兩端的紋波。

4.7 SW引腳電壓過(guò)沖

在24V輸入電壓和2.5A輸出電流的條件下，測(cè)量了SW引腳的電壓過(guò)沖，帶寬為200MHz。

4.8 啟動(dòng)和關(guān)閉

分別展示了通過(guò)EN引腳和(V_{IN})進(jìn)行啟動(dòng)和關(guān)閉的波形，直觀地展示了模塊在啟動(dòng)和關(guān)閉過(guò)程中的電壓和電流變化情況。

5. 電路板布局

5.1 布局特點(diǎn)

TPS55340EVM - 148的電路板布局采用了典型的用戶應(yīng)用方式，頂層、底層和兩個(gè)內(nèi)層均為2 - oz銅。頂層包含(V{IN})、(V{OUT})和SW的主要功率走線，以及TPS55340其余引腳的連接和大面積的接地區(qū)域。內(nèi)層和底層主要為接地層，還有(V{IN})和(V{OUT})的填充區(qū)域。頂層接地走線通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與底層和內(nèi)層接地平面相連，TPS55340器件正下方的九個(gè)過(guò)孔為頂層接地平面到底層接地平面提供了熱路徑。

5.2 組件布局建議

輸出去耦電容（C5 - C8）應(yīng)放置在D1和T1的次級(jí)繞組旁邊，初級(jí)側(cè)SW節(jié)點(diǎn)的銅面積應(yīng)保持較小以減少噪聲。(V{OUT})平面上靠近二極管D1的過(guò)孔有助于散熱。此外，電壓設(shè)定點(diǎn)電阻分壓器組件應(yīng)靠近U3，電壓分壓器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)連接到調(diào)節(jié)點(diǎn)的輸出電壓，即TP2附近的銅(V{OUT})走線。對(duì)于TPS55340，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)鍵的模擬電路，如頻率設(shè)定電阻、軟啟動(dòng)電容和補(bǔ)償組件，應(yīng)通過(guò)頂層和底層的單獨(dú)接地走線連接到電源接地層，且僅在IC正下方的一點(diǎn)連接。

6. 原理圖和物料清單

6.1 原理圖

提供了TPS55340EVM - 148的原理圖，這對(duì)于深入了解電路的工作原理和進(jìn)行電路分析非常有幫助。

6.2 物料清單

詳細(xì)列出了評(píng)估模塊所使用的各種組件，包括電容、電阻、二極管、連接器、變壓器、IC等的參數(shù)和型號(hào)，為工程師進(jìn)行組件替換和電路改進(jìn)提供了參考。

7. 總結(jié)

TPS55340EVM - 148評(píng)估模塊為工程師提供了一個(gè)全面的平臺(tái)，用于評(píng)估TPS55340 DC/DC轉(zhuǎn)換器在反激式拓?fù)渲械男阅?。通過(guò)對(duì)其性能規(guī)格、可修改之處、測(cè)試結(jié)果以及電路板布局的詳細(xì)分析，我們可以看到該模塊在電源設(shè)計(jì)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們還需要根據(jù)具體的需求和應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)模塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮蛢?yōu)化，以確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用類(lèi)似的評(píng)估模塊時(shí)，有沒(méi)有遇到過(guò)什么特別的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。