TPS23750 Buck-Converter评估板HPA107：设计与应用解析

在电子工程师的日常工作中，评估板是验证和测试电路设计的重要工具。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（Texas Instruments）的TPS23750 Buck-Converter评估板HPA107。

文件下载：TPS23750EVM-107.pdf

评估板概述

HPA107评估模块实现了符合IEEE 802.3af标准的3类电源接口和非隔离式DC/DC开关转换器。它采用了德州仪器的TPS23750受电设备（PD）控制器，适用于典型的以太网供电（PoE）配置。该DC/DC转换器是一个5V输出的降压转换器，也有3.3V输出的物料清单（BOM）选项。此外，印刷电路板上还包含一个小型原型区域。评估板还配备了独立的LED，用于显示DC/DC转换器和PoE接口的工作状态，并且在所有关键节点都提供了测试点。评估板的电源可以通过以太网电缆的备用或数据线提供，也可以使用墙式适配器等辅助电源。

规格、原理图和物料清单

电气规格

评估板的电气规格涵盖了电源接口和DC/DC转换器两部分，具体参数如下表所示：	参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
电源接口
输入电压 (V_{IN})	施加到连接器J1或J3的电源引脚	0	-	57	V
工作电压	启动后	36	-	57	V
输入欠压锁定（UVLO）	上升输入电压	42	-	-	V
	下降输入电压	-	-	30	V
检测电压范围	-	2.7	-	10.1	V
分类电压范围	-	14.5	-	20.5	V
分类电流	-	26	-	30	mA
浪涌电流限制	-	100	-	180	mA
工作电流限制	-	405	-	495	mA
DC/DC转换器
输出电压	(36V ≤ V{IN} ≤ 57V)，3.3V输出，(I{LOAD} ≤ I_{LOAD (max)})	3.13	3.3	3.47	V
	(36V ≤ V{IN} ≤ 57V)，5V输出，(I{LOAD} ≤ I_{LOAD (max)})	4.75	5.0	5.25	V
输出电流 (I_{LOAD})	(36V ≤ V_{IN} ≤ 57V)，3.3V输出	-	-	2.5	A
	(36V ≤ V_{IN} ≤ 57V)，5V输出	-	-	2	A
输出纹波电压（峰 - 峰值）	(V{IN} = 44V)，(I{LOAD} = 2.5A)，3.3V输出	-	-	30	mV
	(V{IN} = 44V)，(I{LOAD} = 2A)，5V输出	-	-	32	mV
端到端效率	(V{IN} = 44V)，(I{LOAD} = 2.5A)，3.3V输出	-	75%	-	%
	(V{IN} = 44V)，(I{LOAD} = 2A)，5V输出	-	80%	-	%
开关频率	-	164	-	236	kHz

原理图

虽然文档中未详细展示原理图，但它是评估板设计的重要组成部分，对于理解电路的工作原理和信号流向至关重要。

物料清单

物料清单详细列出了评估板所需的各种元器件，包括电容、电阻、二极管、MOSFET、电感、变压器等。不同输出电压（3.3V和5V）的元器件数量和型号可能会有所不同。例如，对于3.3V输出，电阻R10的阻值为0.15Ω；而对于5V输出，电阻R10的阻值为0.18Ω。

电路板布局

布局设计

评估板的布局设计需要遵循一些基本原则，以确保电源和电磁干扰/静电放电（EMI/ESD）性能。具体建议如下：

1. 功率流布局：部件的放置应根据功率流以点对点的方式进行，例如从RJ - 45接口到以太网变压器，再到二极管桥、瞬态电压抑制器（TVS）和0.1mF电容，然后到TPS23750、大容量电容，最后到转换器输入。
2. 信号交叉避免：应避免信号从功率流的一部分交叉到另一部分。
3. 短引线和宽功率走线：所有引线应尽可能短，使用宽功率走线，并采用信号和返回线配对的方式。
4. 安全间距：在48V输入电压轨之间以及输入和隔离转换器输出之间，必须遵守符合安全标准（如IEC60950）的间距要求。
5. 接地平面：TPS23750应位于参考PoE输入(V{ss})和转换器操作RTN的分割局部接地平面上。虽然PoE侧可以没有接地平面，但转换器侧必须有。PowerPadTM必须连接到(V{ss})平面或填充区域，特别是在考虑功率耗散时。
6. 铜填充和走线：在表面贴装功率耗散器件上应使用大铜填充和走线，在功率路径中应使用宽走线或覆盖铜填充。
7. 转换器布局规则：
   • 信号配对：减少发射和噪声，特别是对于承载高电流脉冲的路径，包括功率半导体和磁性元件。
   • 缩短走线长度：减少所有相关走线的长度。
   • 垂直配对：尽可能使用垂直配对。
   • 谨慎使用接地平面：用于开关电流。
   • 隔离高电流和高电压开关：避免影响低电平传感电路，包括电源外部的电路。
   • 保护电流传感信号：RSP/RSN上的电流传感是最关键、对噪声敏感的信号，必须采取保护措施。
   • 注意高压区域间距：特别关注转换器高压部分周围的间距。

实际布局

评估板有顶面和底面布局，文档中虽未详细描述布局图，但布局设计的合理性对于评估板的性能至关重要。

使用评估板

典型设置

在使用评估板之前，建议工程师先阅读TPS23750的数据手册。典型的EVM设置如图所示，通过以太网电缆将端口J1连接到供电设备（PSE），该端口同时传输数据和电源；端口J2仅传输数据，不要施加电源；端口J3可接受来自墙式适配器等辅助电源的输入；端口J4为输出电压端口。

接口说明

参考标识	描述
J1	以太网电缆将此端口连接到供电设备（PSE），该端口同时承载数据和电源。
J2	此端口仅承载数据，不要向此端口施加电源。
J3	此端子块接受来自墙式适配器等电源的辅助电源。
J4	输出电压端口。
D6	如果DC/DC转换器输出开启，此LED亮起。
D7	如果PD FET开关开启，此LED亮起。

测量注意事项

在进行测量时，需要注意以下几点：

1. 磁场干扰：电感器L2产生的杂散磁场可能会将噪声耦合到测量中，在测量低电平信号（如输出纹波电压）时，这种噪声可能会比较明显。因此，应保持示波器探头的接地引线短，并远离L2，以减少噪声拾取。
2. 接地环路：如果测试设备连接到评估板，可能会产生接地环路。为避免接地环路，可将测试设备和/或电源浮置。

评估板操作

TPS23750数据手册详细描述了降压转换器受电设备中各个组件的电气操作和功能，评估板中的电路与数据手册中的电路类似。

相关文档

评估板的相关文档包括TPS23750、TPS23770集成100V IEEE 802.3af PD和DC/DC控制器的数据手册（SLVS590）以及IEEE Std 802.3af标准。这些文档对于深入了解评估板的工作原理和技术细节非常有帮助。

总结

TPS23750 Buck-Converter评估板HPA107为工程师提供了一个方便的平台，用于验证和测试PoE和DC/DC转换电路的性能。通过合理的布局设计、正确的使用方法和对相关文档的深入理解，工程师可以充分发挥评估板的优势，为实际项目的开发提供有力支持。在使用评估板时，一定要注意输入电压范围、负载范围等参数，避免损坏评估板。你在使用类似评估板时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。