探索TPS54356EVM - 058評(píng)估模塊：設(shè)計(jì)與性能解析

在電子工程師的日常工作中，評(píng)估模塊是驗(yàn)證和測(cè)試電源設(shè)計(jì)的重要工具。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的TPS54356EVM - 058評(píng)估模塊，了解其特點(diǎn)、性能以及如何進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。

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一、模塊概述

TPS54356EVM - 058評(píng)估模塊旨在展示TPS54356直流 - 直流轉(zhuǎn)換器的性能。該轉(zhuǎn)換器能夠從4.5至20V的輸入電壓源提供高達(dá)3A的輸出電流。此評(píng)估模塊設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)在于，它展示了使用TPS54356調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí)可實(shí)現(xiàn)的小PCB面積，但并不代表使用該器件設(shè)計(jì)時(shí)所能達(dá)到的高效率。其開(kāi)關(guān)頻率標(biāo)稱設(shè)置為500kHz，允許使用相對(duì)小尺寸的22μH輸出電感器。

二、性能規(guī)格

輸入輸出范圍

輸入電壓范圍為4.5V至20V（最大），標(biāo)稱值為6.0至18V；輸出電流范圍為0至3A。

性能指標(biāo)

在輸入電壓為12V、輸出電壓為3.3V、環(huán)境溫度為25°C的條件下，該評(píng)估模塊的性能指標(biāo)如下：

• 負(fù)載調(diào)節(jié)：在特定負(fù)載變化下，輸出電壓的變化情況。
• 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)：當(dāng)負(fù)載電流從2.25A變化到0.75A時(shí)，輸出電壓的變化及恢復(fù)時(shí)間。
• 最大效率：在負(fù)載電流約為1至2A時(shí)達(dá)到峰值，最高可達(dá)92%。

三、設(shè)計(jì)修改

輸出電壓設(shè)定

開(kāi)關(guān)頻率調(diào)整

評(píng)估模塊的開(kāi)關(guān)頻率默認(rèn)設(shè)置為500kHz，通過(guò)將R4開(kāi)路實(shí)現(xiàn)。若將R4短路，工作頻率將設(shè)置為250kHz。此外，還可以通過(guò)改變R4的值將開(kāi)關(guān)頻率調(diào)整到250kHz至700kHz之間，計(jì)算公式為： [RT(k Omega )=frac{46000}{f_{S}(kHz)-35.9}] 如果使用可編程開(kāi)關(guān)頻率，需在R11位置安裝一個(gè)10kΩ的電阻，以降低SYNC引腳對(duì)噪聲的敏感性。

輸入濾波器

板載電解輸入電容C1可根據(jù)應(yīng)用需求選擇是否移除。

UVLO編程

TPS54356內(nèi)部有一個(gè)從(V{IN})到AGND的分壓器，其啟動(dòng)和停止閾值因器件型號(hào)而異。若要設(shè)置不同的閾值，可以通過(guò)選擇R6和R7的值來(lái)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算公式如下： [R 6=frac{V{I( start )} × R 7}{ UVLO(start) }-R 7] [V_{I( stop )}=frac{(R 6+R 7) × 1.02}{R 7}] 通常，R7取值為1kΩ較為合適。

同步功能

該評(píng)估模塊支持與TPS5435X系列的其他器件進(jìn)行同步操作。當(dāng)RT引腳接地或浮空，將開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為250或500kHz時(shí)，SYNC引腳作為輸出；當(dāng)RT引腳通過(guò)電阻接地設(shè)置可編程工作頻率時(shí)，SYNC引腳作為輸入，且為下降沿觸發(fā)。通過(guò)J3接頭可訪問(wèn)SYNC信號(hào)，若將SYNC信號(hào)配置為輸入，R11應(yīng)端接一個(gè)10kΩ的電阻。

延長(zhǎng)軟啟動(dòng)時(shí)間

通過(guò)在評(píng)估模塊的R12和C6位置安裝元件，可以延長(zhǎng)軟啟動(dòng)時(shí)間。R12必須為2kΩ，C6必須小于0.47μF。C6的值可根據(jù)所需的軟啟動(dòng)時(shí)間通過(guò)以下公式計(jì)算： [C6 (mu F)=5.5 × 10^{-3} × 0.818 × T_{S S}(m s)] 需要注意的是，該公式僅適用于TPS54356。若評(píng)估模塊修改為不同的輸出電壓，需參考產(chǎn)品數(shù)據(jù)表（SLVS519）獲取設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間的更多信息。

無(wú)低側(cè)FET操作

TPS54356EVM - 058可以使用續(xù)流二極管代替外部低側(cè)FET進(jìn)行操作。PCB背面提供了續(xù)流二極管D1的焊盤(pán)，Motorola MBRS340T3適用于此應(yīng)用。

四、測(cè)試設(shè)置與結(jié)果

輸入輸出連接

評(píng)估模塊配備了輸入/輸出連接器和測(cè)試點(diǎn)。應(yīng)使用能夠提供4A電流的電源通過(guò)一對(duì)20 - AWG電線連接到J1，負(fù)載通過(guò)一對(duì)20 - AWG電線連接到J2，最大負(fù)載電流能力為3A。為減少電線損耗，應(yīng)盡量縮短電線長(zhǎng)度。測(cè)試點(diǎn)TP4和TP5用于監(jiān)測(cè)輸入電壓，TP3和TP6用于監(jiān)測(cè)輸出電壓。

效率測(cè)試

評(píng)估模塊的效率在負(fù)載電流約為1至2A時(shí)達(dá)到峰值，隨后隨著負(fù)載電流接近滿載而下降。較高的環(huán)境溫度會(huì)因MOSFET的漏源電阻溫度變化而降低效率，700kHz的開(kāi)關(guān)頻率下效率略低于較低開(kāi)關(guān)頻率，這是由于MOSFET的柵極和開(kāi)關(guān)損耗所致。

輸出電壓調(diào)節(jié)

輸出電壓的負(fù)載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)特性在環(huán)境溫度為25°C時(shí)進(jìn)行了測(cè)量。負(fù)載調(diào)節(jié)反映了負(fù)載變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性，線路調(diào)節(jié)則體現(xiàn)了輸入電壓變化對(duì)輸出電壓的影響。

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

當(dāng)負(fù)載電流從25%到75%的最大額定負(fù)載變化時(shí)，評(píng)估模塊的輸出電壓會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，包括紋波和噪聲。

環(huán)路特性

通過(guò)測(cè)量不同輸入電壓下的增益和相位曲線，可了解評(píng)估模塊的環(huán)路響應(yīng)特性。

輸出和輸入電壓紋波

在輸入電壓為12V、輸出電流為額定滿載3A的情況下，測(cè)量了輸出和輸入電壓的紋波情況。

上電和下電過(guò)程

上電時(shí)，當(dāng)輸入電壓達(dá)到內(nèi)部設(shè)置的UVLO閾值電壓4.49V時(shí)，輸出電壓開(kāi)始以內(nèi)部設(shè)置的軟啟動(dòng)速率線性上升至3.3V，當(dāng)輸出達(dá)到預(yù)設(shè)最終值的97%時(shí)，PWRGD信號(hào)置高。下電時(shí)，當(dāng)輸入電壓降至停止電壓閾值3.69V時(shí)，調(diào)節(jié)器關(guān)閉，輸出電壓開(kāi)始向0V衰減，PWRGD信號(hào)在輸出電壓超出調(diào)節(jié)范圍時(shí)置低。

五、電路板布局

評(píng)估模塊的電路板布局采用典型的用戶應(yīng)用方式。頂層包含(VIN)、(OUT)和(PHASE)的主要電源走線，以及TPS54356其余引腳的連接和大面積的接地區(qū)域。底層包含接地和(V_{OUT})銅區(qū)以及一些信號(hào)布線。頂層和底層的接地走線通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連接，其中10個(gè)過(guò)孔直接位于TPS54356器件下方，為PowerPAD焊盤(pán)提供了到地的熱路徑。輸入去耦電容、偏置去耦電容和自舉電容都盡可能靠近IC放置，補(bǔ)償組件也保持與IC的近距離，補(bǔ)償電路連接到調(diào)節(jié)點(diǎn)的輸出電壓，緊鄰高頻旁路輸出電容。

六、總結(jié)

TPS54356EVM - 058評(píng)估模塊為電子工程師提供了一個(gè)全面的平臺(tái)，用于評(píng)估TPS54356直流 - 直流轉(zhuǎn)換器的性能。通過(guò)對(duì)輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率、UVLO等參數(shù)的靈活修改，以及對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試，工程師可以深入了解該器件的特性，為實(shí)際應(yīng)用中的電源設(shè)計(jì)提供有力的參考。你在使用類似評(píng)估模塊時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。