TPS51220A Buck控制器評估模塊：從入門到精通

作為電子工程師，在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，選擇合適的控制器評估模塊至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討德州儀器（Texas Instruments）的TPS51220A Buck控制器評估模塊，了解它的特點(diǎn)、性能以及如何進(jìn)行測試。

文件下載：TPS51220AEVM-476.pdf

一、模塊簡介

TPS51220A EVM - 476評估模塊采用了德州儀器的TPS51220A芯片，具備雙輸出設(shè)計(jì)。該芯片是一款雙峰值電流模式同步降壓控制器，還集成了三個(gè)線性穩(wěn)壓器。評估模塊上設(shè)有眾多測試點(diǎn)，方便工程師監(jiān)測和評估TPS51220A的控制特性，同時(shí)也允許工程師對控制器的一些特性進(jìn)行配置。

二、模塊特點(diǎn)與應(yīng)用

特點(diǎn)

1. 輸入電壓范圍廣：支持8V至20V的輸入電壓，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
2. 雙8A輸出：提供3.3V和5V兩種輸出，滿足不同設(shè)備的供電需求。
3. 獨(dú)立使能功能：3.3V和5V輸出可獨(dú)立控制，增加了使用的靈活性。
4. 可選輕載操作模式：可根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況選擇合適的工作模式，提高效率。
5. 可選控制架構(gòu)：支持不同的控制架構(gòu)，滿足多樣化的設(shè)計(jì)需求。
6. 電感電流檢測：能準(zhǔn)確檢測電感電流，保障電路穩(wěn)定運(yùn)行。
7. OVP和輸出放電功能可禁用：用戶可根據(jù)具體需求選擇是否啟用過壓保護(hù)（OVP）和輸出放電功能。
8. 測試點(diǎn)豐富：方便測量關(guān)鍵參數(shù)，便于調(diào)試和評估。

典型應(yīng)用

該模塊適用于筆記本電腦、I/O總線、數(shù)字電視、多功能打印機(jī)等設(shè)備的負(fù)載點(diǎn)電源設(shè)計(jì)。

三、電氣性能規(guī)格

輸入特性

• 電壓范圍：8V至20V
• 最大輸入電流（12V輸入，雙8A輸出）：5.8A

輸出特性

四、測試設(shè)置

測試設(shè)備

1. 電壓源：能提供8V - 20V直流電壓，最大電流10A。
2. 萬用表：至少需要三個(gè)電壓表，可用于監(jiān)測測試點(diǎn)。
3. 輸出負(fù)載：推薦使用兩個(gè)恒流電子負(fù)載，能在3.3V或5V輸出時(shí)吸收最大10A電流。
4. 示波器：最小50MHz數(shù)字示波器及電壓探頭，用于測量輸出紋波和監(jiān)測測試點(diǎn)。
5. 推薦線規(guī)：負(fù)載和輸入連接使用最小AWG#16線規(guī)的導(dǎo)線，并盡量縮短連接長度。

推薦測試設(shè)置

按照文檔中的推薦測試設(shè)置圖進(jìn)行連接，確保測試環(huán)境穩(wěn)定。

測試點(diǎn)列表

五、測試流程

線路/負(fù)載調(diào)節(jié)率和效率測量

1. 將開關(guān)S1、S2和S3置于“OFF”位置。
2. 設(shè)置跳線：JP1（SKIPSEL1）跳3 - 4腳；JP2（FUNC）跳1 - 2腳；JP3（TRIP）跳7 - 8腳；JP4（SKIPSEL2）跳3 - 4腳。
3. 設(shè)置直流電源電流限制為10A，將輸入電壓從0V增加到8V，使用V3驗(yàn)證輸入電壓。
4. 使用V4測量VREG3（TP9）電壓，應(yīng)在3.2V - 3.4V之間。
5. 將S3置于“ON”位置，使用V5測量VREG5（TP5）電壓，應(yīng)在4.9V - 5.1V之間；使用V6測量VREF2（TP15）電壓，應(yīng)在1.98V - 2.02V之間。
6. 將電子負(fù)載#1設(shè)置為吸收0A電流，將S1置于“ON”位置，S3保持“ON”位置。
7. 記錄VOUT1電壓、IOUT1電流、VIN和輸入電流。
8. 以0.5A為步長增加電子負(fù)載#1的電流，從0A到8A，每次記錄相關(guān)參數(shù)。
9. 將輸入電壓設(shè)置為20V。
10. 將電子負(fù)載#1的電流從8A減小到0A，再以0.5A為步長從0A增加到8A，每次記錄相關(guān)參數(shù)。
11. 對VOUT2采用類似的測試方法，使用S2啟用VOUT2。

輸出紋波測試

1. 按照線路/負(fù)載調(diào)節(jié)率和效率測量的步驟1 - 6啟動(dòng)輸出。
2. 設(shè)置示波器：水平掃描2μs/div；觸發(fā)模式為自動(dòng)，上升沿觸發(fā)；觸發(fā)源為Ch1；Ch1設(shè)置為50mV/div，交流耦合，帶寬20MHz。
3. 使用推薦的探頭技巧測量VOUT1和VOUT2的紋波。

提高輕載效率測量

1. 在無電源情況下進(jìn)行跳線修改。

2. SKIPSEL1和SKIPSEL2跳線可選擇輕載時(shí)的工作模式，具體模式及描述如下表：	跳線位置	模式	描述
   CCM（1和2短接）	CCM	EVM保持連續(xù)電流模式
   AS（3和4短接）	自動(dòng)跳過	EVM在輕載時(shí)進(jìn)入自動(dòng)跳過模式，可能會聽到可聽噪聲
   OOA_L（5和6短接）	OOA (< 400kHz)	EVM進(jìn)入無噪聲跳過模式
   OOA_H（7和8短接）	OOA (> 400kHz)	不推薦

3. 選擇模式后，重新進(jìn)行效率和調(diào)節(jié)率測量，輸出小于1A時(shí)減小步長電流。

控制架構(gòu)和OVP選擇

1. 在無電源情況下進(jìn)行跳線修改。

2. FUNC跳線（JP2）可選擇控制架構(gòu)和OVP功能，具體模式及描述如下表：	跳線位置	模式
   CMODE_ON（1和2短接）	電流模式控制且OVP啟用
   DCAP_OFF（3和4短接）	D - Cap模式控制且OVP禁用
   DCAP_ON（5和6短接）	D - Cap模式控制且OVP啟用
   CMODE_OFF（7和8短接）	電流模式控制且OVP禁用

3. 選擇模式后，重新進(jìn)行效率和調(diào)節(jié)率測量，輸出小于1A時(shí)減小步長電流。

過流跳閘電平與輸出放電選擇

1. 在無電源情況下進(jìn)行跳線修改。

2. TRIP跳線（JP3）可選擇過流跳閘電平并啟用或禁用輸出放電功能，具體模式及描述如下表：	跳線位置	模式
   UL_D - ON（1和2短接）	過流使用超低電壓閾值（典型31mV）且輸出放電啟用
   UL_OFF（3和4短接）	過流使用超低電壓閾值（典型31mV）且輸出放電禁用
   LV_OFF（5和6短接）	過流使用低電壓閾值（典型60mV）且輸出放電禁用
   LV_D - ON（7和8短接）	過流使用低電壓閾值（典型60mV）且輸出放電啟用

3. 選擇模式后，重新進(jìn)行效率和調(diào)節(jié)率測量，輸出小于1A時(shí)減小步長電流。

六、性能數(shù)據(jù)和典型特性曲線

文檔中給出了效率、負(fù)載調(diào)節(jié)率、波特圖、瞬態(tài)響應(yīng)、輸出紋波和開關(guān)節(jié)點(diǎn)、開啟波形、關(guān)閉波形等性能數(shù)據(jù)和典型特性曲線，這些曲線直觀地展示了模塊在不同工作條件下的性能表現(xiàn)。例如，效率曲線顯示了不同負(fù)載電流下的效率變化，幫助工程師了解模塊在不同負(fù)載下的能效情況。

七、EVM組裝圖和PCB布局

文檔提供了TPS51220A EVM - 476印刷電路板的設(shè)計(jì)圖，包括頂層組裝圖、底層組裝圖、頂層銅層、內(nèi)部層1、內(nèi)部層2和底層銅層的視圖。PCB厚度為0.062英寸，采用四層銅設(shè)計(jì)，兩個(gè)內(nèi)部層為2盎司銅，外部層為1盎司銅。合理的PCB布局對于模塊的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要，工程師可以參考這些布局圖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

八、材料清單

文檔列出了評估模塊的組件清單，包括電容、電感、MOSFET、電阻、二極管等元件的型號和參數(shù)，方便工程師進(jìn)行物料采購和替換。

通過對TPS51220A Buck控制器評估模塊的詳細(xì)介紹，相信大家對該模塊有了更深入的了解。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師可以根據(jù)具體需求，利用模塊的特點(diǎn)和功能，進(jìn)行靈活配置和測試，以滿足不同應(yīng)用場景的要求。你在使用類似評估模塊時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。