TPS40090EVM - 001多相降压转换器评估模块使用指南

一、引言

在电子设计领域，电源转换模块的性能和稳定性至关重要。TPS40090EVM - 001多相直流 - 直流转换器就是一款值得关注的产品。它利用TPS40090多相控制器和UCC27222预测性栅极驱动器，能够将12V输入电压降至1.5V，输出电流可达100A，开关频率为420kHz。这种高效的转换能力使其在众多应用场景中具有很大的优势。

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二、重要注意事项

2.1 评估模块用途

TI提供的这款评估套件仅用于工程开发或评估目的，并非适用于商业用途。该产品可能在设计、营销和制造相关的保护措施方面存在不足，包括最终产品中常见的产品安全措施。同时，作为原型产品，它可能不符合欧盟电磁兼容性指令的技术要求。

2.2 保修政策

如果评估套件不符合用户指南中的规格，可在交付日期起30天内退还以获得全额退款。这是TI提供的唯一保修，替代所有其他明示、暗示或法定的保修。

2.3 用户责任

用户需对产品的正确和安全处理承担全部责任，并对TI因产品处理或使用而产生的所有索赔进行赔偿。此外，收到的产品可能未通过监管合规或机构认证（如FCC、UL、CE等），由于产品结构开放，用户有责任采取适当的静电放电预防措施。

三、动态警告和限制

3.1 输入电压范围

该评估模块的输入电压范围为0Vdc至100Vdc。超出此范围可能导致意外操作和/或对模块造成不可逆转的损坏。如果对输入范围有疑问，在连接输入电源之前，请联系TI现场代表。

3.2 负载范围

施加超出指定输出范围的负载可能导致意外操作和/或对模块造成永久性损坏。在连接任何负载到模块输出之前，请查阅用户指南。如果对负载规格不确定，请联系TI现场代表。

3.3 温度注意事项

在正常运行期间，一些电路组件的外壳温度可能超过50°C。只要保持输入和输出范围，模块设计为在某些组件高于50°C的情况下仍能正常工作。这些组件包括线性稳压器、开关晶体管、传输晶体管和电流感测电阻等。在操作过程中，将测量探头靠近这些设备时，要注意它们可能会很烫。

四、产品特性

参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压范围		10.5	12.0	14.5	V
输出电压设定点		1.477	1.508	1.540	V
输出电流范围	VIN = 12V	0	100	120	A
线性调节率	IOUT从10A上升到100A，8V ≤ VIN ≤ 14V		± 0.1%
负载调节率	IOUT从10A上升到100A		± 0.3%
负载瞬态响应电压变化	IOUT从10A上升到100A		-160		mVPK
	IOUT从100A下降到10A		200		mVPK
负载瞬态响应恢复时间	IOUT从10A上升到100A		< 10		µs
	IOUT从100A下降到10A		< 15		µs
环路带宽	IOUT = 100A，IOUT = 10A		89		kHz
相位裕度	IOUT = 100A		50		°
	IOUT = 10A		52		°
输入纹波电压			80	200	mVPK
输出纹波电压			6	10	mVPK
输出上升时间					ms
工作频率		370	415	455	kHz
满载效率	VIN = 12V，VOUT = 1.5V，IOUT = 100A	86.6%
电流共享容差	VIN = 12V，VOUT = 1.5V，IOUT = 100A		± 5%	± 10%

从这些特性数据中，我们可以看出该模块在电压调节、负载响应等方面表现出色，能够满足大多数应用的需求。但在实际应用中，我们也需要根据具体情况来评估这些参数是否符合要求。例如，对于对电压稳定性要求极高的应用，可能需要进一步优化负载调节率和纹波电压等参数。

五、电路原理图

文档中提供了HPA026的三张原理图，分别是TPS40090控制器、功率级和驱动电路、负载瞬态发生器。这些原理图是我们进行电路分析和设计的重要依据。通过仔细研究原理图，我们可以了解各个组件之间的连接关系和信号流向，从而更好地理解整个电路的工作原理。

六、组件选择

6.1 工作频率

TPS40090的时钟振荡器频率通过一个从RT（引脚16）到信号地的单个电阻进行编程。对于420kHz的工作频率，计算得出RT电阻值为65.8kΩ，实际使用了64.9kΩ的标准电阻。在实际设计中，我们需要根据具体的工作频率要求，准确计算和选择合适的电阻值，以确保电路的稳定运行。

6.2 电感值

每个相位的输出电感值可以根据关断时间的伏秒计算得出。当纹波电流为最大相电流的20%（即5A）时，电感值为0.63µH，实际使用了TDK的SPM12550 - R62M300电感，其电感值为0.6µH，电阻为1.75mΩ。在多相高电流降压转换器设计中，由于交错效应的纹波抵消因素，电感值可以比单相操作时小，但从传导损耗的角度考虑，电感值又倾向于大一些以减少纹波电流和损耗，因此需要进行权衡。

6.3 输入电容选择

输入电容的选择基于输入电压纹波要求。由于多相交错，输入RMS电流会降低。通过相关公式可以计算输入纹波电流RMS值与负载电流的关系。对于典型的150mV纹波电压，计算得出最大ESR为47mΩ。在电路板的输入侧放置了两个68µF、20V的三洋Oscon电容器（20SVP68M），每个电容器的ESR为40mΩ。在选择输入电容时，我们不仅要考虑电容值和ESR，还要考虑电容的耐压、温度特性等因素。

6.4 输出纹波抵消和电容选择

由于通道的交错，总输出纹波电流小于单相的纹波电流。通过相关公式可以计算纹波抵消系数。输出电容的选择需要考虑多个应用变量，包括功能、成本、尺寸和可用性等。有三种计算输出电容的方法：

1. 根据电感纹波电流和允许的输出纹波确定最小允许输出电容。在本设计中，当VRIPPLE = 10mV时，COUT(min)为101µF，但这仅影响纹波电压的电容分量，最终电容值通常受ESR和瞬态考虑因素的影响。
2. ESR限制，为了将纹波电压限制在10mV，电容ESR应小于计算值。
3. 瞬态考虑，通过考虑负载从满载到空载的瞬态电压过冲，可以推导出输出电感和电容值的选择公式。在100A的设计中，限制瞬态所需的电容值明显大于保持纹波在可接受范围内所需的电容值。最终使用了八个220µF的POSCAP电容器与四个22µF的陶瓷电容器并联，每个POSCAP的ESR为15mΩ。

6.5 MOSFET选择

在高比例降压应用中，开关FET和整流FET有不同的要求。由于占空比约为12%，整流FET在大部分周期内导通，传导损耗占主导地位，因此优选低RDS(on)的FET。同时，由于整流FET的dV/dt导通和交叉传导，应选择Qgs > Qgd的整流FET。开关FET在高电压和高电流下开关，开关损耗占主导地位，因此选择了低总栅极电荷的Si7860DP。两种类型的FET都采用Powerpak SO - 8封装，电路板布局为开关FET和整流FET都设计了两个FET并联的方式，以便为不同应用修改电路板提供可行性。

6.6 电流传感

TPS40090支持电阻电流传感和DCR电流传感方法。本设计中使用输出电感的DCR作为电流传感组件。通过在电感上并联一个R - C网络，如果两个时间常数相同（L / DCR = R × C），则VC = VDCR。还使用了额外的电路来补偿铜电阻率的正温度系数（0.385%/°C）。

6.7 过流限制保护

过流功能分别监测每个电流感测输入的电压水平，并将其与ILIM引脚通过控制器参考分压器设置的电压进行比较。如果超过VILIM / 2.7的阈值，则相应相位的PWM周期将终止。ILIM引脚的电压由相关公式确定。

6.8 补偿组件

TPS40090采用峰值电流模式控制，使用Type II网络，提供一个零点和两个极点。第一个极点位于原点以改善直流调节。通过相关公式可以计算功率级的ESR零点、零点和第二个极点的位置，并选择合适的电阻和电容值。

6.9 下垂功能

电阻R8用于编程下垂功能。如果需要下垂功能，需要根据所需的下垂电压修改R8的值，R8可以通过相关公式计算得出。

七、测试结果/性能数据

7.1 效率和功率损耗

通过比较不同电感值（Lout = 0.6 - µH和Lout = 0.3 - µH）下的效率曲线，我们可以看到在满载时，Lout = 0.6 - µH的效率约为86.6%，Lout = 0.3 - µH的效率约为86%。同时，还给出了总损耗与负载电流的关系，在100A负载时，上述两种电感值对应的总损耗分别约为23.3W和24.1W。

7.2 闭环性能

TPS40090采用峰值电流模式控制，通过Bode图可以看出在10A和100A负载电流下的性能。在无下垂功能的情况下，交叉频率为89kHz，相位裕度为59度。

7.3 输出纹波和噪声

在VIN = 12V和IOUT = 100A的条件下，输出纹波小于10mV。

7.4 瞬态响应

通过板载负载瞬态电路可以检查阶跃负载瞬态响应。当负载从10A阶跃到100A时，输出偏差约为200mV，稳定时间在15µs以内。

八、布局考虑

在高频开关电源设计中，PCB布局对性能起着关键作用。以下是一些布局建议：

1. 为了充分利用交错效应的纹波抵消因素，将输入电容放置在输入电压分配到每个相位的节点之前，将输出电容放置在所有电感连接的节点之后。
2. 将外部驱动器放置在FET旁边，并使用至少25mil的走线来传输栅极驱动信号，以提高抗噪能力。
3. 在每个通道的输入处放置一些陶瓷电容，以过滤电流尖峰。
4. 将NTC电阻放置在与其相关的电感旁边，以实现更好的热耦合。
5. 建议使用2oz或更厚的铜来降低走线阻抗。
6. 在功率组件的焊盘周围放置足够的过孔，以增加热传导。
7. 保持电流传感走线尽可能短，以避免过多的噪声拾取。
8. 将输出电感相对于输出连接器尽可能对称放置，以获得相似的走线阻抗电压降。

九、总结

TPS40090EVM - 001多相降压转换器评估模块在电源转换领域具有出色的性能和稳定性。通过合理的组件选择和优化的PCB布局，可以进一步提高其性能。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和场景，对各个参数和组件进行仔细的评估和调整，以确保模块能够满足设计要求。同时，我们也需要关注模块的使用注意事项和安全要求，以保证使用过程中的可靠性和安全性。大家在使用过程中遇到过哪些类似模块的问题呢？欢迎在评论区分享交流。