TPS40090EVM - 002 评估板：高效多相降压转换器设计指南

在电子设计领域，电源管理一直是至关重要的环节。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的 TPS40090EVM - 002 评估板，这是一款基于 TPS40090 多相控制器和 TPS2834 自适应驱动器的多相 DC - DC 转换器，能够将 12V 输入降压至 1.5V，输出电流可超过 100A。

文件下载：TPS40090EVM-002.pdf

一、评估板重要注意事项

1. 用途限制

TI 出售的这款评估板仅用于工程开发或评估目的，并非适用于商业用途。它在设计、营销和制造相关的保护考虑方面可能并不完善，包括最终产品中常见的产品安全措施。此外，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. 保修政策

如果评估板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，替代了所有其他明示、暗示或法定的保修。

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，并对因产品处理或使用而产生的所有索赔进行赔偿。同时，由于产品可能未通过监管合规或机构认证，用户应采取适当的静电放电预防措施。

二、动态警告与限制

1. 输入电压范围

评估板应在 0Vdc 至 100Vdc 的输入电压范围内运行。超出此范围可能导致意外操作或对评估板造成不可逆损坏。如有疑问，应在连接输入电源前联系 TI 现场代表。

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或对评估板造成永久性损坏。在连接负载前，请查阅用户指南；若对负载规格不确定，也应联系 TI 现场代表。

3. 温度注意事项

在正常运行期间，某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，评估板设计为在部分组件高于 50°C 的情况下仍能正常工作。在操作过程中，靠近这些组件放置测量探头时，要注意它们可能会很烫。

三、评估板特性

1. 性能参数

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	14.0	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，10.5V ≤ 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		40		°
输入纹波电压			80	200	mVPK
输出纹波电压			15	25	mVPK
输出上升时间					ms
工作频率		370	418	454	kHz
满载效率	VIN = 12V，VOUT = 1.5V，IOUT = 100A	84.3%
电流共享公差	VIN = 12V，VOUT = 1.5V，IOUT = 100A		± 5%	± 10%

2. 可配置性

TPS40090EVM - 002 可配置为 2 相、3 相或 4 相操作。对于 2 相操作，需安装 R65 和 R66 以将 PWM2 和 PWM4 连接到内部 5V。

四、组件选择

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。计算公式为： [R{T}=R 12=K{P H} timesleft(39.2 × 10^{3} × f{P H}^{-1.024}-7right)(k Omega)] 其中，(K{PH}) 是取决于有效相数的系数，(f{PH}) 是单相频率（kHz）。对于 420kHz 的工作频率，计算得到 (R{T}) 为 65.8kΩ，实际使用 64.9kΩ 的标准电阻。

2. 电感值

每个相的输出电感值可根据关断时间的伏秒计算： [L=frac{V{OUT }}{f × I{RIPPLE }} timesleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN (max )}}right)] 通常选择 (I{RIPPLE}) 为最大相电流 (I{PH(max )}) 的 10% - 40%。在本设计中，(I{RIPPLE}) 为 (I{PH(max )}) 的 20%，即 5A，计算得到电感值为 0.63µH，实际使用 TDK 的 SPM12550 - R62M300 电感，其电感值为 0.6µH，电阻为 1.75mΩ。

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。输入纹波电流 RMS 值与负载电流的关系可通过相关公式计算。为限制电压纹波，还需考虑最小电容值。在本设计中，使用两个 68µF、20V 的三洋 Oscon 电容（20SVP68M），每个电容的 ESR 为 40mΩ。

4. 输出纹波消除与电容选择

由于通道交错，总输出纹波电流小于单相纹波电流。纹波消除因子可通过公式计算： [Delta I{OUT }left(N{P H}, Dright)=frac{left(prod{i=1}^{N{P H}}left|i-N{P H} × Dright|right)}{left[prod{i=1}^{N{P H}^{-1}}left(left|i-N{P H} × Dright|+1right)right]}] [kleft(N{P H}, Dright)= if left(N{P H} leq 1, Delta I{OUT }(D), Delta I{OUT }left(N_{P H}, Dright)right)] 输出电容的选择可从以下三个方面考虑：

• 最小允许输出电容：由电感纹波电流和允许的输出纹波确定，计算公式为 (C{OUT (min )}=frac{I{RIPPLE }}{8 × f × V_{RIPPLE }})。
• ESR 限制：为将纹波电压限制在 10mV，电容 ESR 应小于 (R{C}<=frac{V{RIPPLE }}{I_{RIPPLE }})。
• 瞬态考虑：通过比较电感能量和电容能量，可得到计算输出电容的公式 (C_{OUT }=frac{L × I^{2}}{V^{2}})。在本设计中，使用八个 220µF 的 POSCAP 电容与四个 22µF 的陶瓷电容并联。

5. MOSFET 选择

在高比率降压应用中，开关 FET 和整流 FET 有不同的要求。整流 FET 大部分时间处于导通状态，因此应选择低 (R{DS(on)}) 且 (Q{gs} > Q_{gd}) 的 FET。开关 FET 则以高电压和高电流进行开关，应选择总栅极电荷低的 FET。在本设计中，整流 FET 使用两个并联的 Siliconix Si7880DP，开关 FET 使用单个 Si7860DP。

6. 电流传感

TPS40090 支持电阻电流传感和 DCR 电流传感方法。本设计使用输出电感的 DCR 作为电流传感组件，并通过 R - C 网络和额外电路进行温度补偿。

7. 过流限制保护

过流功能分别监测每个电流传感输入的电压水平，并将其与 ILIM 引脚设置的电压进行比较。如果超过阈值 (V_{ILIM } / 2.7)，相应相的 PWM 周期将终止。

8. 补偿组件

TPS40090 使用峰值电流模式控制，采用 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，ESR 零点和第二个极点的位置根据相关公式计算确定。

五、测试设置

测试时，HPA072 的输入输出连接如下：12V 输入通过 J1（VIN）和 J2（GND），1.5V 输出通过 J9（VOUT）和 J10（GND）。应使用能够提供 18A 的电源通过一对 10AWG 电线连接到 VIN 和 GND，1.5V 负载通过一对 0AWG 电线分别连接到 J9 和 J10。为减少电线损耗，应尽量缩短电线长度。同时，建议使用一个 5 英寸、200cfm 气流的风扇以确保评估板在满载下正常运行。

六、测试结果与性能数据

1. 效率与功率损耗

负载从 10A 变化到超过 100A 时，满载效率约为 84.3%，100A 时的总损耗约为 28.3W。

2. 闭环性能

TPS40090 使用峰值电流模式控制，在 100A 负载电流下，交叉频率为 89kHz，相位裕度为 40°。

3. 输出纹波与噪声

在 (V{IN}=12V) 和 (I{out}=100A) 时，输出纹波小于 10mV。

4. 瞬态响应

通过板载负载瞬态电路，可检查负载阶跃瞬态响应。负载从 10A 阶跃到 100A 时，输出偏差约为 200mV，稳定时间在 15µs 以内。

5. 预偏置输出启动

在同步降压转换器中，为避免底部 FET 在启动时对预偏置输出放电，使用比较器 U9 和周边组件将驱动器的 SYNC 引脚拉低，使底部 FET 在启动期间保持关闭。启动后，SYNC 引脚拉高，转换器恢复正常同步模式。

七、布局考虑

PCB 布局在高频开关电源设计中起着关键作用。以下布局建议有助于提高性能和加快设计进程：

• 将输入电容放置在输入电压分配到各相的节点之前，输出电容放置在所有电感连接的节点之后。
• 将外部驱动器靠近 FET 放置，并使用至少 25mil 的走线传输栅极驱动信号以提高抗噪能力。
• 在每个通道的输入处放置一些陶瓷电容以过滤电流尖峰。
• 将 NTC 电阻靠近相关电感放置以实现更好的热耦合。
• 建议使用 2oz 或更厚的铜以降低走线阻抗。
• 在功率组件的焊盘周围放置足够的过孔以增加热传导。
• 尽量缩短电流传感走线以避免过多的噪声拾取。
• 输出电感应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。

八、评估板组件清单

文档提供了详细的 TPS40090EVM - 002 组件清单，包括电容、电阻、二极管、MOSFET、IC 等组件的型号、数量、规格和制造商信息。

通过以上对 TPS40090EVM - 002 评估板的详细介绍，我们可以看到它在多相降压转换方面的强大性能和灵活性。在实际设计中，工程师们可以根据具体需求进行组件选择和布局优化，以实现最佳的电源管理效果。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和见解。