高功率密度、低剖面NexFET™电源模块II用于笔记本电源的设计与测试

一、引言

在笔记本电源设计领域，高功率密度和低剖面的电源模块一直是工程师们追求的目标。德州仪器（Texas Instruments）的CSD87381PEVM - 603评估模块（EVM）为我们提供了一个优秀的解决方案。它结合了CSD87381P和TI控制器TPS51219，能够在8 - 20V的输入电压范围内提供高达15A的1.35V输出，为笔记本电脑等设备的电源设计提供了有力支持。

文件下载：CSD87381PEVM-603.pdf

二、模块概述

2.1 典型应用

CSD87381PEVM - 603的典型应用场景广泛，包括笔记本电脑、I/O电源以及系统电源等。这些应用场景对电源的功率密度、效率和稳定性都有较高的要求，而该模块正好能够满足这些需求。

2.2 特点

• 输出电压精度高：输出电压为1.35V，公差仅为2%，能够为负载提供稳定的电源。
• 大电流输出能力：可提供高达15A的稳态输出电流，满足高功率设备的需求。
• 高开关频率：开关频率达到300kHz，有助于减小电感和电容的尺寸，提高功率密度。
• 高效能：峰值效率超过92%，在不同负载条件下都能保持较高的效率，降低了能源损耗。

2.3 电气性能规格

参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入特性
电压范围	VIN电压		12	20	V
5V电压	4.5	5	5.5	V
输出特性
输出电压，VOUT	VIN = 12V，IOUT = 10A		1.35		V
输出负载电流，IOUT			10	15	A
系统特性
开关频率	VIN = 12V，VOUT = 1.35V，IOUT = 10A		300		kHz
峰值效率	VIN = 12V，VOUT = 1.35V		92.0		%
满载效率	VIN = 12V，VOUT = 1.35V，IOUT = 12A		86.0		%
工作温度			25		°C

输出电压可以通过改变图1中R104和R107的值进行调整，具体细节可参考TPS51219的数据手册SLUSAG1。TPS51219支持0.5 - 2V的输出电压。

三、测试设置

3.1 测试设备

• 电压源：
  • VIN：0 - 20V可变直流电源，能够提供10A的电流，连接到J102。
  • V5VIN：0 - 5V可变直流电源，能够提供1A的电流，连接到J100。
• 万用表：
  • V1：测量TP103（Vins）和TP104（GNDS）之间的VIN电压。
  • V2：测量TP100（5V）和TP101（GND）之间的5V电压。
  • V3：测量TP107（Vouts）和TP108（GNDS）之间的输出电压。
  • A1：测量VIN输入电流。
  • A2：测量5V输入电流。
• 输出负载：电子恒阻模式负载，能够在1.35V下提供0 - 20A的电流。
• 示波器：数字或模拟示波器，用于测量开关节点波形。测量时需使用差分探头，示波器设置为50Ω阻抗、1GHz带宽、直流耦合、50ns/格水平分辨率、5V/格垂直分辨率。
• 风扇：由于模块中的一些组件在运行时可能会达到60°C，建议使用一个风量为200 - 400LFM的小风扇，在负载电流高于10A时运行，以降低组件温度。
• 推荐线规：
  • VIN到J102（8 - 20V输入）：推荐使用1根AWG 14号线，总长度小于4英尺（输入2英尺，返回2英尺）。
  • V5VIN到J100（5V输入）：推荐使用1根AWG 18号线，总长度小于4英尺（输入2英尺，返回2英尺）。
  • J103到负载：最小推荐使用2根AWG 14号线，总长度小于4英尺（输出2英尺，返回2英尺）。

3.2 推荐测试设置

在ESD工作站工作时，要确保连接好任何手腕带、靴带或垫子，并在给EVM供电前参考用户对地接地。具体连接步骤如下：

• 输入连接：
  • 在连接直流电源VIN之前，建议将VIN的源电流限制在最大10A，并确保VIN初始设置为0V后进行连接。
  • 在连接直流电源V5VIN之前，建议将V5VIN的源电流限制在最大1A，并确保V5VIN初始设置为0V后进行连接。
  • 在TP103（Vins）和TP104（GNDS）处连接电压表V1以测量VIN电压，在TP100（5V）和TP101（GND）处连接电压表V2以测量5V电压。
  • 在直流电源VIN和J102之间连接电流表A1以测量输入电流。
  • 在直流电源V5VIN和J100之间连接电流表V2以测量5V输入电流。
• 输出连接：
  • 将负载连接到J103，并在施加VIN和5V之前将负载设置为恒阻模式以吸收0A电流。
  • 在TP107（Vouts）和TP108（GNDS）处连接电压表V3以测量输出电压。

四、测试过程

4.1 线路和负载调节以及效率测量过程

1. 确保负载设置为恒阻模式并吸收0A电流。
2. 在施加VIN和V5VIN之前，在EVM上的J101处放置跳线，将EVM设置为关闭位置。
3. 将VIN从0V增加到12V，使用V1测量输入电压。
4. 将V5VIN从0V增加到5V，使用V2测量输入电压。
5. 移除J101上的跳线以启用控制器。
6. 将负载从0A变化到15A，输出电压VOUT应保持在负载调节范围内。
7. 将VIN从12V变化到19V，输出电压VOUT应保持在线路调节范围内。
8. 将负载减小到0A。
9. 放置跳线短路J101以禁用控制器。
10. 将V5VIN减小到0V。
11. 将VIN减小到0V。

4.2 测试点列表

测试点	名称	描述
TP100	5V	5V电源
TP101	GND	5V电源的接地
TP102	PGOOD	电源良好信号
TP103	Vins	VIN电源
TP104	GND	VIN电源的接地
TP105	SW	开关节点
TP107	Vouts	VOUT感应
TP108	GNDS	接地感应
TP106	REFIN	REFIN（输出电压设置）
TP109	GSNS	差分感应（低）
TP110	VSNS	差分感应（高）

4.3 设备关机

1. 关闭负载。
2. 在J101处放置跳线。
3. 关闭V5VIN和VIN。

五、性能数据和典型特性曲线

图4 - 图6展示了CSD87381PEVM - 603的典型性能曲线，包括效率与输出电流的关系以及不同输入电压和输出电流下的开关节点波形。这些曲线可以帮助工程师更好地了解模块的性能，为实际应用提供参考。

六、EVM组装图和PCB布局

CSD87381PEVM - 603的印刷电路板采用六层、1盎司铜电路设计，图7 - 图14展示了其设计细节。合理的PCB布局对于模块的性能和稳定性至关重要，工程师可以根据这些图纸进行组装和调试。

七、物料清单

该模块的物料清单详细列出了各个组件的型号、参数和制造商，为工程师进行物料采购和替换提供了方便。

八、总结

CSD87381PEVM - 603评估模块为笔记本电源设计提供了一个高性能、高功率密度的解决方案。通过合理的测试设置和测试过程，工程师可以对模块的性能进行全面评估。同时，其详细的物料清单和PCB布局图纸也为实际应用提供了有力支持。在实际设计中，工程师可以根据具体需求对模块进行调整和优化，以满足不同设备的电源需求。

大家在使用这个模块进行设计时，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。