TPS56921 Buck Converter評估模塊：性能、設(shè)置與設(shè)計(jì)詳解

在電子工程領(lǐng)域，DC-DC轉(zhuǎn)換器是電源設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分。今天我們要深入探討的是德州儀器（Texas Instruments）的TPS56921 Buck Converter評估模塊（TPS56921EVM - 188），它能為工程師們在電源設(shè)計(jì)方面提供很多有價(jià)值的參考。

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一、模塊概述

1.1 背景

TPS56921 DC - DC轉(zhuǎn)換器可提供高達(dá)9A的輸出電流。它采用了分離輸入電源軌設(shè)計(jì)，功率級和控制電路分別有獨(dú)立的輸入電壓。功率級輸入（PVIN）額定電壓為1.6V至17V，控制輸入（VIN）額定電壓為4.5V至17V。評估模塊TPS56921EVM - 188為這兩個(gè)輸入都提供了接口，但設(shè)計(jì)和測試時(shí)通常將PVIN連接到VIN。其額定輸入電壓范圍為4.5V至17V，輸出電流范圍為0A至9A。

該評估模塊旨在展示使用TPS56921穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)時(shí)可實(shí)現(xiàn)的小尺寸印刷電路板。開關(guān)頻率外部設(shè)定為標(biāo)稱500kHz，高側(cè)和低側(cè)MOSFET以及柵極驅(qū)動電路都集成在TPS56921封裝內(nèi)。MOSFET的低漏源導(dǎo)通電阻使TPS56921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)償組件在集成電路（IC）外部，外部分壓器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)。此外，TPS56921還提供可調(diào)節(jié)的慢啟動、跟蹤和欠壓鎖定輸入。TPS56921EVM - 188的絕對最大輸入電壓為20V。

1.2 性能規(guī)格總結(jié)

1.3 模塊修改

該評估模塊可進(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)：EVM的輸出電壓可以通過外部電壓分壓器或內(nèi)部I2C接口進(jìn)行設(shè)置。外部調(diào)整通過R10和R11的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，R10固定為10kΩ，改變R11的值可在0.72V至1.48V范圍內(nèi)改變輸出電壓，計(jì)算公式為(R11=frac{10kΩ×0.8V}{V_{OLT}-0.8V})。也可使用I2C接口的可選VID控制來設(shè)置輸出電壓，通過HPA665 - 001 USB2ANY接口和USB2ANY_GUI軟件，可將輸出電壓編程為0.72V至1.48V的77個(gè)預(yù)設(shè)電壓之一。
• 慢啟動時(shí)間：慢啟動時(shí)間可通過改變C5的值進(jìn)行調(diào)整，計(jì)算公式為(C5(nF)=frac{Tss(ms)×lss(μA)}{Vref(V)})。EVM默認(rèn)使用(C5 = 0.01μF)，慢啟動時(shí)間為5.7ms。
• 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）：欠壓鎖定可通過R1和R2進(jìn)行外部調(diào)整。EVM默認(rèn)使用內(nèi)部UVLO，R1和R2未安裝?？墒褂锰囟ü接?jì)算不同啟動和停止電壓所需的電阻值。
• 輸入電壓軌：EVM設(shè)計(jì)為適應(yīng)功率級和控制邏輯的不同輸入電壓水平。正常運(yùn)行時(shí)，PVIN和VIN輸入通過JP1跳線連接，單個(gè)輸入電壓在J2處提供。若需要，可移除JP1跳線，分別在J1和J2處提供兩個(gè)輸入電壓。

二、測試設(shè)置與結(jié)果

2.1 輸入/輸出連接

TPS56921EVM - 188配備了輸入/輸出連接器和測試點(diǎn)。需將能夠提供4A電流的電源通過一對20 - AWG電線連接到J2，JP1跳線必須就位。負(fù)載需通過一對20 - AWG電線連接到J4，最大負(fù)載電流能力為9A，應(yīng)盡量縮短電線長度以減少電線損耗。測試點(diǎn)TP3用于監(jiān)測(V_{IN})輸入電壓，TP4作為接地參考；TP9用于監(jiān)測輸出電壓，TP10作為接地參考。

2.2 效率

在環(huán)境溫度為25°C時(shí)，模塊的效率如圖2 - 1和圖2 - 2所示。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降低。

2.3 輸出電壓負(fù)載調(diào)整率和線性調(diào)整率

圖2 - 3展示了負(fù)載調(diào)整率，圖2 - 4展示了線性調(diào)整率，測量均在環(huán)境溫度為25°C的條件下進(jìn)行。

2.4 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

圖2 - 5顯示了TPS56921EVM - 188對負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)，在12V輸入下，電流從最大額定負(fù)載的25%階躍到75%，電流階躍轉(zhuǎn)換速率為100mA/μs，輸出電壓的總峰 - 峰變化包括紋波和噪聲。

2.5 環(huán)路特性

當(dāng)輸出電壓通過外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置時(shí)，圖2 - 6展示了環(huán)路響應(yīng)特性；當(dāng)通過I2C接口設(shè)置時(shí)，圖2 - 7展示了相應(yīng)的環(huán)路響應(yīng)特性，測量時(shí)(V_{IN})電壓為12V，負(fù)載電流為4A。

2.6 輸出電壓紋波和輸入電壓紋波

圖2 - 8展示了輸出電壓紋波，輸出電流為額定滿載9A，(V{IN}=12V)，紋波電壓直接在輸出電容兩端測量；圖2 - 9展示了輸入電壓紋波，同樣在輸出電流為9A、(V{IN}=12V)的條件下，紋波電壓在輸入電容兩端測量。

2.7 上電過程

圖2 - 10和圖2 - 11展示了TPS56921EVM - 188的啟動波形。圖2 - 10中，當(dāng)輸入電壓達(dá)到由R1和R2電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的UVLO閾值時(shí)，輸出電壓開始上升；圖2 - 11中，初始施加輸入電壓，通過JP2跳線將EN連接到GND抑制輸出，移除跳線后，當(dāng)EN電壓達(dá)到使能閾值電壓時(shí)，啟動序列開始，輸出電壓上升到外部設(shè)定的1.1V。圖2 - 12展示了輸出電壓上升的詳細(xì)情況。

三、電路板布局

TPS56921EVM - 188的電路板布局如圖3 - 1至圖3 - 5所示。頂層、底層和內(nèi)部層均為2 - oz銅層。頂層包含PVIN、VIN、(V{OUT})和VPHASE的主要電源走線，以及TPS56921其余引腳的連接和大面積的接地區(qū)域。內(nèi)部層1是電源接地平面，內(nèi)部層2包含模擬接地填充區(qū)域，用于I2C接口和RT、SS、EN、COMP和VSENSE等敏感模擬電路的返回路徑，模擬接地在TP7附近的過孔處與主電源接地連接以抑制環(huán)流。內(nèi)部層2還包含PVIN和(V{OUT})的額外填充區(qū)域以及與J3處I2C接口連接器的連接。底層僅包含電源接地平面。頂層接地走線通過多個(gè)過孔與底層和內(nèi)部接地平面連接，包括TPS56921正下方的9個(gè)過孔和相鄰的12個(gè)過孔，為頂層接地區(qū)域到內(nèi)部層1和底層接地平面提供熱路徑。

輸入去耦電容（C1、C2、C3和C4）和自舉電容（C8）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。電壓分壓器網(wǎng)絡(luò)在J4輸出連接器處的銅(V_{OUT})走線的調(diào)節(jié)點(diǎn)與輸出電壓相連。根據(jù)EVM與輸入電源的連接情況，可能需要額外的輸入大容量電容。

四、原理圖和物料清單

4.1 原理圖

圖4 - 1展示了TPS56921EVM - 188的原理圖。

4.2 物料清單

表4 - 1列出了TPS56921EVM - 188的物料清單，包括電容、電阻、電感、連接器、IC等元件的詳細(xì)信息。

通過對TPS56921 Buck Converter評估模塊的詳細(xì)分析，我們可以看到它在電源設(shè)計(jì)方面具有很多優(yōu)勢和靈活性。工程師們可以根據(jù)實(shí)際需求對模塊進(jìn)行修改和調(diào)整，以滿足不同應(yīng)用場景的要求。大家在使用這個(gè)模塊的過程中，有沒有遇到什么特別的問題或者有什么獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評論區(qū)分享。