TPS5430EVM - 342評估模塊：2.25A反相降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器的詳細解析
TPS5430EVM - 342評估模塊：2.25A反相降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器的詳細解析
在電子工程領(lǐng)域，電源管理是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天，我們將深入探討德州儀器（Texas Instruments）的TPS5430EVM - 342評估模塊，這是一款用于2.25A反相降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器的評估工具，它為工程師們提供了一個便捷的平臺來測試和驗證TPS5430芯片的性能。
文件下載：TPS5430EVM-342.pdf
一、背景信息
1.1 TPS5430芯片特性
TPS5430是一款直流 - 直流轉(zhuǎn)換器，能夠在5.5V至36V的輸入電壓源下提供高達3.0A的輸出電流。其開關(guān)頻率內(nèi)部設(shè)定為標稱500kHz，內(nèi)部集成了高端MOSFET和柵極驅(qū)動電路。低的漏源導通電阻有助于實現(xiàn)高效率，并在高輸出電流時保持較低的結(jié)溫。補償組件集成在集成電路內(nèi)部，通過外部分壓器可實現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)。此外，TPS5430還提供使能輸入，絕對最大輸入電壓為24V。
1.2 參考資料
在設(shè)計過程中，工程師可以參考以下資料：
- 《Using a buck converter in an inverting buck - boost topology (SLYT283)》技術(shù)簡報。
- 《Using the TPS5430 As An Inverting Buck Boost Converter (SLVA257)》應用報告。
- 《3 - A, WIDE INPUT RANGE, STEP - DOWN SWIFT? CONVERTER (SLVS632)》TPS5430和TPS5431的數(shù)據(jù)手冊。
1.3 性能規(guī)格總結(jié)
| TPS5430EVM - 342評估模塊的性能規(guī)格在特定條件下給出。例如，在輸入電壓(V_{IN}=12V)，輸出電壓為 - 5V，環(huán)境溫度為25°C時，其輸出電流范圍為0至2.25A，負載調(diào)節(jié)率為±0.02%，負載瞬態(tài)響應的電壓變化在特定電流變化下為±50mV，恢復時間為120ms等。具體規(guī)格如下表所示： | 規(guī)格 | 測試條件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| (V_{IN})電壓范圍 | 10.8 | 12或15 | 19.8 | V | ||
| 輸出電壓設(shè)定點 | - 5.0 | V | ||||
| 輸出電流范圍 | (V_{IN}=15V) | 0 | 2.25 | A | ||
| 負載調(diào)節(jié)率 | (V{IN}=3.3V)，(I{O}=0A)至3A | ±0.02% | ||||
| 負載瞬態(tài)響應（電壓變化） | (I_{O}=0.75A)至2.25A | - 50 | mV | |||
| 恢復時間 | 120 | ms | ||||
| 負載瞬態(tài)響應（電壓變化） | (I_{O}=2.25A)至0.75A | + 50 | mV | |||
| 恢復時間 | 120 | ms | ||||
| 環(huán)路帶寬 | (V{IN}=12V)，(I{O}=2A) | 11.21 | kHz | |||
| 相位裕度 | (V{IN}=12V)，(I{O}=2A) | 73 | ||||
| 輸出紋波電壓 | (V{IN}=12V)，(I{O}=2A) | 100 | mVpp | |||
| 輸出上升時間 | 8 | ms | ||||
| 工作頻率 | 500 | kHz | ||||
| 最大效率 | (V{IN}=11V)，(V{O}=-5V)，(I_{O}=0.8A) | 87% |
1.4 模塊修改
1.4.1 輸出電壓設(shè)定點
| 要改變評估模塊的輸出電壓，需要改變電阻R3的值。通過公式(R 2 = 10 k Omega × frac{1.221 V}{V{O}-1.221 V})可以計算出特定輸出電壓對應的R3值。不過要注意，(V{IN})必須在一定范圍內(nèi)，以確保最小導通時間大于200ns，最大占空比小于87%。常見輸出電壓對應的R3標準值如下表： | 輸出電壓 (V) | R3值 (kΩ) |
|---|---|---|
| - 1.8 | 21.5 | |
| - 2.5 | 9.53 | |
| - 3.3 | 5.90 | |
| - 5 | 3.24 |
1.4.2 輸入電壓范圍
評估模塊設(shè)計為在標稱12V、15V或18V ± 10%的輸入電壓下工作。雖然TPS5430的輸入電壓范圍為5.5V至36V，但由于輸入旁路電容額定電壓為25V，評估模塊不能在此全范圍內(nèi)工作。此外，輸入到輸出的電壓差不能超過輸入電壓的最大工作范圍36V。
二、測試設(shè)置與結(jié)果
2.1 輸入/輸出連接
| TPS5430EVM - 342配備了輸入/輸出連接器和測試點。應使用一對20AWG電線將能夠提供3A電流的電源連接到J1，將負載通過一對20AWG電線連接到J2，最大負載電流能力為2.25A。為減少電線損耗，應盡量縮短電線長度。測試點TP1用于監(jiān)測(V_{IN})輸入電壓，TP2作為接地參考；TP5用于監(jiān)測輸出電壓，TP4作為接地參考。具體連接器和測試點功能如下表： | 參考編號 | 功能 |
|---|---|---|
| J1 | (V_{IN})，標稱12V，范圍10.8V至19.8V | |
| J2 | 輸出， - 5V，最大2.25A | |
| JP1 | 2針插頭，用于使能。將EN連接到 - 5V輸出以禁用，斷開以啟用 | |
| TP1 | (V{IN})連接器處的(V{IN})測試點 | |
| TP2 | (V_{IN})處的接地測試點 | |
| TP3 | PH測試點 | |
| TP4 | 輸出連接器處的接地測試點 | |
| TP5 | 輸出連接器處的輸出電壓測試點 | |
| TP6 | 分壓器網(wǎng)絡(luò)和R1之間的測試點，用于環(huán)路響應測量 |
2.2 效率
TPS5430EVM - 342的效率在負載電流約為0.8A時達到峰值，隨后隨著負載電流接近滿載而降低。在環(huán)境溫度為25°C時，效率會受到MOSFET漏源電阻溫度變化的影響，環(huán)境溫度越高，效率越低。
2.3 輸出電壓調(diào)節(jié)
在25°C環(huán)境溫度下測量的輸出電壓負載調(diào)節(jié)情況顯示，TPS5430EVM - 342能夠在不同輸出電流下保持較好的電壓穩(wěn)定性。
2.4 負載瞬態(tài)響應
當負載電流從最大額定負載的25%躍變到100%時，TPS5430EVM - 342的輸出電壓會有一定的波動，總峰 - 峰電壓變化包含紋波和噪聲。
2.5 環(huán)路特性
通過增益和相位圖可以觀察到TPS5430EVM - 342在不同(V_{IN})電壓（10.8V和19.8V）下的環(huán)路響應特性。
2.6 輸出電壓紋波
在輸入電壓(V_{IN}=12V)，輸出電流為額定滿載3A時，直接測量輸出電容兩端的電壓，可以得到輸出電壓紋波情況。
2.7 上電過程
從啟動波形可以看到，(V_{IN})從0V充電到12V，當輸入電壓達到內(nèi)部設(shè)定的欠壓鎖定（UVLO）閾值電壓時，慢啟動序列開始。經(jīng)過一段時間延遲，內(nèi)部參考電壓以內(nèi)部設(shè)定的慢啟動速率線性上升到1.221V，輸出電壓也隨之上升到設(shè)定的5V。可以通過在JP1處使用跳線將EN連接到GND來抑制輸出。
三、電路板布局
3.1 布局特點
TPS5430EVM - 342的頂層和底層采用2盎司銅。頂層包含(V{IN})、(V{OUT})和VPHASE的主要功率走線，以及TPS5430其余引腳的連接和大面積接地。底層包含接地和一些信號布線。頂層、底層和內(nèi)部接地走線通過多個過孔連接，包括TPS5430器件正下方的四個過孔，以提供從PowerPAD?焊盤到接地的熱路徑。輸入去耦電容（C1）和自舉電容（C3）盡可能靠近IC放置，電壓設(shè)定點電阻分壓器組件也靠近IC，分壓器網(wǎng)絡(luò)在調(diào)節(jié)點與輸出電容C3相鄰處連接到輸出電壓。
四、原理圖與物料清單
4.1 原理圖
TPS5430EVM - 342的原理圖展示了各個組件之間的連接關(guān)系，為工程師理解電路工作原理提供了重要依據(jù)。
4.2 物料清單
| 物料清單詳細列出了評估模塊所使用的各個組件，包括電容、二極管、連接器、電感、電阻、測試點和集成電路等，具體信息如下表： | 數(shù)量 | 參考編號 | 值 | 描述 | 尺寸 | 零件編號 | 制造商 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2 | C1, C2 | 10 μF | 陶瓷電容，25V，X7R，10% | 1210 | C3225X7R1E106K | TDK | |
| 1 | C3 | 0.01 μF | 陶瓷電容，50V，X7R，10% | 0603 | C1608X7R1H103K | TDK | |
| 1 | C4 | 220 μF | POSCAP電容，10V，40毫歐，20% | 7343(D) | 10TPB220M | Sanyo | |
| 1 | D1 | B340A | 肖特基勢壘整流二極管，3A，40V | SMA | B340A | Diodes Inc | |
| 2 | J1, J2 | 2針端子塊，6A，3.5mm | 0.27 x 0.25 | ED1514 | OST | ||
| 1 | JP1 | 2針插頭，100密耳間距（36針條） | 0.100英寸 x 2 | PTC36SAAN | Sullins | ||
| 1 | L1 | 15 μH | 貼片電感，3.4A，41毫歐 | 0.405平方英寸 | CDRH105R - 150 | Sumida | |
| 1 | R1 | 0 Ω | 貼片電阻，1/16W，1% | 0603 | Std | Std | |
| 1 | R2 | 10.0 kΩ | 貼片電阻，1/16W，1% | 0603 | Std | Std | |
| 1 | R3 | 3.24 kΩ | 貼片電阻，1/16W，5% | 0603 | Std | Std | |
| 4 | TP1, TP3, TP5, TP6 | 紅色通孔測試點，顏色編碼 | 0.100 x 0.100英寸 | 5000 | Keystone | ||
| 2 | TP2, TP4 | 黑色通孔測試點，顏色編碼 | 0.100 x 0.100英寸 | 5001 | Keystone | ||
| 1 | U1 | TPS5430 | 開關(guān)降壓調(diào)節(jié)器IC，5.5V - 36V，3A | SO8[DDA] | TPS5430DDA | TI | |
| 1 | PCB，1.3英寸 x 2.35英寸 x 0.062英寸 | HPA136 | Any | ||||
| 1 | 分流器，100密耳，黑色 | 0.100 | 929950 - 00 | 3M |
五、注意事項
5.1 操作范圍
必須在10.8V至19.8V的輸入電壓范圍和固定的 - 5V輸出電壓范圍內(nèi)操作評估模塊，超出指定范圍可能導致意外操作和/或?qū)υu估模塊造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。如有疑問，應在連接輸入電源前聯(lián)系德州儀器的現(xiàn)場代表。
5.2 負載連接
連接負載時，應確保負載在指定的輸出范圍內(nèi)，否則可能導致意外操作和/或?qū)υu估模塊造成永久性損壞。在連接負載前，請查閱評估模塊用戶手冊，如有不確定的負載規(guī)格，應聯(lián)系德州儀器的現(xiàn)場代表。
5.3 溫度注意
在正常操作期間，一些電路組件的外殼溫度可能會超過90°C。只要保持輸入和輸出范圍，評估模塊設(shè)計為在某些組件溫度高于85°C時仍能正常工作。這些組件包括但不限于線性調(diào)節(jié)器、開關(guān)晶體管、傳輸晶體管和電流感測電阻。在操作過程中，將測量探頭靠近這些設(shè)備時，要注意它們可能會很燙。
通過對TPS5430EVM - 342評估模塊的詳細分析，我們可以看到它在反相降壓 - 升壓調(diào)節(jié)方面的性能特點和設(shè)計要點。對于電子工程師來說，深入了解這些信息有助于更好地利用該模塊進行電源管理設(shè)計，同時在操作過程中遵循注意事項，確保評估模塊的正常運行和自身安全。你在使用類似評估模塊時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。
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