TPS40100 Buck控制器评估模块使用指南

一、引言

TPS40100EVM - 001评估模块（EVM）是一款同步降压转换器，它能从12V输入总线提供高达10A的3.3V固定输出。该模块设计为可从单个输入电源启动，无需额外的偏置电压，采用了TPS40100中压输入同步降压控制器。

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二、模块描述

2.1 应用领域

该评估模块适用于非隔离中电流负载点和低压总线转换器、商用电源模块、网络设备、电信设备以及直流电源分布式系统等领域。

2.2 模块特性

• 输入输出范围：输入范围为10.8V - 13.2V，输出为3.3V固定电压，稳态输出电流可达10A。
• 功能特性：支持输出裕度上下调节、跟踪电压输入以支持同步排序、具备电源良好指示、频率同步输入和远程感应方案。
• 设计特点：开关频率为380kHz，采用单个主开关MOSFET和单个同步整流MOSFET，单组件面、表面贴装设计，3.0英寸×3.25英寸评估板，四层PCB且所有组件都在顶层，方便测试关键波形和进行全环路分析。

2.2.1 远程感应功能（J3）

远程感应可通过补偿端子连接和负载线电阻的损耗，提供更精确的负载调节。但要注意，长布线连接可能导致转换器出现不规则行为，如脉冲宽度抖动或纹波电压振荡。若出现此类情况，需检查设置并进行调整。

2.2.2 同步跟踪功能（J3）

该评估模块具备展示TPS40100跟踪功能的能力，还可配置多个TPS40100EVM进行跟踪。电压跟踪功能使TPS40100能够跟踪外部斜坡，以满足许多微处理器和内存应用的需求。

2.2.3 使能功能（SW2）

评估模块配备了使能/禁用开关。关闭S1会将TPS40100的UVLO引脚拉低，从而禁用设备；打开S1且输入电压合适时，设备将被启用。J3引脚4是使能监控引脚，方便用户观察。

2.2.4 裕度上下调节功能（J4）

该功能允许用户将转换器的输出上下调节3%或5%，评估模块通过方便的跳线设置实现输出电压的微调。

2.2.5 电源良好指示（J1）

评估模块包含一个电源良好引脚，用于提供“电源正常”信号。当软启动激活、跟踪激活、反馈电压超出特定范围、欠压锁定电压过低、过流情况存在或芯片温度超过165°C时，该引脚将拉低。用户可使用示波器监测该引脚的行为。

2.2.6 同步功能（J1）

两个TPS40100 - EVM可同步到一个频率高于自由运行PWM时钟的外部时钟源，这有助于输入滤波器设计。建议同步频率不超过自由运行频率的120%，该评估模块开关频率为370kHz，因此同步引脚的外部频率不应超过470kHz。

三、电气性能规格

参数	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压范围	10.8	-	13.2	V
最大输入电流（VIN = 10.8V，IOUT = 10A）	-	-	3.5	A
无负载输入电流（VIN = 13.2V，IOUT = 0A）	-	-	100	mA
输出电压	3.22	3.30	3.39	V
输出电压线性调整率（10.8V < VIN < 13.2V，IOUT = 5A）	-	1%	-	-
输出电压负载调整率（0A < IOUT < 10A，VIN = 12V）	-	1%	-	-
输出电压纹波（VIN = 13.2V，IOUT = 10A）	-	-	25	mVpp
输出负载电流	0	-	10	A
输出过流	-	-	15	A
开关频率	350	380	410	kHz
满载效率（V12V_IN = 10.8V，VOUT = 3.3V，IOUT = 10A）	-	93.9%	-	-
满载效率（V12V_IN = 12V，VOUT = 3.3V，IOUT = 10A）	-	93.5%	-	-
满载效率（V12V_IN = 13.2V，VOUT = 3.3V，IOUT = 10A）	-	93.4%	-	-

四、测试设置

4.1 设备准备

• 电压源（VIN）：采用0 - 15V可变直流电源，能够提供5A电流，连接到J2。
• 仪表：配备0 - 5A直流电流表、0 - 15V电压表和0 - 5V电压表。
• 负载（LOAD1）：使用电子恒流模式负载，能够在3.3V下提供0 - 10A电流。
• 推荐线规：VIN到J2的连接推荐使用AWG #16线，J5到LOAD1的功率连接也推荐使用AWG #16线，J2到LOAD1的远程感应线推荐使用AWG #22线，且长度不超过6英寸。
• 其他设备：需要一个200 - 400 LFM的小风扇来降低组件表面温度，以及一台60MHz或更快的示波器和一个能够提供0 - 5V方波、频率超过400kHz的函数发生器。

4.2 设备设置

4.2.1 初始跳线和开关设置

评估模块默认设置如下：使能开关（S1）在引脚2和3之间断开（使能位置）；跟踪使能跳线（J8）在引脚1和2之间短路，禁用跟踪功能；跟踪启动开关（S2）在引脚2和3之间断开，使跟踪斜坡充电；远程感应跳线（J6和J7）在引脚2和3之间短路，启用本地连接器感应；裕度跳线处于禁用位置。

4.2.2 操作步骤

1. 在静电防护工作站工作，确保佩戴防静电腕带、使用防静电垫等接地措施，穿戴静电服和安全眼镜。
2. 连接直流输入源VIN前，将源电流限制在最大5.0A，初始将VIN设置为0V并按图连接。
3. 在输入电源正极输出和评估模块正极输入（J2，引脚1）之间连接电流表。
4. 将电压表#1连接到TP3和TP4，用于监测评估模块输入电源。
5. 将LOAD1连接到J5，在施加输入电压前将LOAD1设置为恒流模式，电流为0A。
6. 将电压表#2连接到TP13和TP14，用于监测评估模块输出电源（本地感应）。
7. 移除示波器探头护套，按图放置探头，TP17和TP18用于测量纹波电压和瞬态响应。
8. 放置风扇并打开，确保空气流过评估模块。

4.2.3 启动和关闭程序

启动：将VIN从0V增加到12V，观察VOUT是否达到标称电压，调节LOAD1从0A到10A，调节VIN从10.8V到13.2V。 关闭：将LOAD1减小到0A，将VIN减小到0V。

4.2.4 设备关闭

依次关闭示波器、LOAD、VIN和风扇。

4.3 其他测试

4.3.1 调整输出电压（R1和R3）

可通过改变反馈电阻R1和R3的值来调整输出电压。相关公式如下： [R{PARALLEL}=frac{R1 × R3}{R1 + R3}] [V{OUT}=V{REF}left[frac{R12 + R17}{R{PARALLEL}}+1right]] [R{PARALLEL}=left[frac{V{REF}}{V{OUT}-V{REF}}right]×(R17 + R12)] 其中(V_{REF}=0.690V)，(R17 = 49.9Ω)，(R12 = 18.2kΩ)。

4.3.2 远程感应测试设置

为确保远程感应功能正常工作，需按以下步骤设置：

1. 确保远程感应跳线J7和J8在引脚1和2之间短路。
2. 从J5引脚2（+Vout）到负载正极连接不超过6英寸的负载线，从J5引脚3（RTN）到负载负极连接相同长度的线，推荐使用AWG #16线。
3. 从J5引脚1到负载正极连接不超过6英寸的感应线，推荐使用AWG #22线。
4. 从J5引脚4到负载负极连接不超过6英寸的感应线，推荐使用AWG #22线。
5. 使用电压表监测TP13和TP14的电压，这是负载处的调节电压。
6. 监测J5引脚2和3的电压，这是输出连接器处的电压，会随负载增加而升高。
7. 将负载设置为0A恒流，两个监测点的电压应接近相同。
8. 逐渐增加负载，观察监测点电压的差异，负载处将调节到设定电压（3.3V），转换器直接输出电压会升高以补偿负载线和端子的IR损耗。

4.3.3 电压跟踪测试设置

单EVM演示

1. 将J8（跟踪使能跳线）的引脚2和3短路。
2. 跟踪启动开关（S2）闭合。
3. 将示波器探头连接到TRACKING IN引脚（J3引脚1）和VOUT（TP 17和18）。
4. 将负载连接到评估模块输出，设置为1A - 10A。
5. 以10.8V - 13.2V的输入电压给评估模块供电，等待SS电压达到3.5V或等待1 - 2秒。
6. 打开跟踪启动开关（S2），观察VOUT如何跟踪TRACKING IN引脚的上升电压，波形应同步。
7. 关闭跟踪启动开关（S2），观察VOUT如何跟踪TRACKING IN引脚的下降电压，波形应同步。

多EVM跟踪

1. 两个模块的跟踪使能跳线（J8）的引脚2和3短路。
2. 连接每个EVM的J3引脚1。
3. 连接每个EVM的TP16，这是模块间测试点，可通过S2使任一模块成为控制EVM。
4. 控制EVM的跟踪启动开关（S2）闭合。
5. 将示波器探头连接到两个模块的TP17和18以及其中一个模块的J3引脚1，模块应具有共同的输入电压和返回。
6. 远程感应跳线（J6和7）的引脚2和3短路，激活本地输出感应。
7. 施加10.8V - 13.2V的输入电压。
8. 等待SS电压达到3.5V。
9. 打开控制EVM的跟踪启动开关（S2），观察监测点（两个EVM输出和跟踪输入电压），输出电压应跟随跟踪输入电压直到达到调节点。
10. 关闭控制EVM的跟踪启动开关（S2），观察监测点，下降波形应重合。

4.3.4 使能和禁用测试设置

按上述设备设置步骤设置评估模块，开关（ENABLE S1）可用于启用和禁用设备。关闭S1将TPS40100的UVLO引脚拉低，禁用设备；打开S1且输入电压合适时，启用设备。J3引脚4是使能监测引脚。

4.3.5 裕度测试设置

按图设置评估模块，选择所需的裕度级别。通过连接J4的指定引脚（3、6、12、15）到相邻的VIN引脚（2、5、11、14）来启用所需的裕度级别。

4.3.6 电源良好和同步测试设置

TPS40100EVM - 100可同步到外部时钟。按图设置评估模块，J1包含电源良好引脚和同步输入引脚。可使用数字万用表或示波器监测电源良好引脚的稳态响应或动态响应。设置函数发生器提供频率在410kHz - 480kHz之间、0 - 5V方波、50%占空比的信号，施加到同步输入引脚，观察低侧MOSFET（Q2）的栅极驱动，应与外部时钟频率一致。

五、典型性能数据和特性曲线

5.1 效率

展示了不同输入电压（10.8V、12.0V、13.2V）下，负载电流从0A到10A时的效率曲线。

5.2 线性和负载调节

展示了在不同输入电压（10.8V、12.0V、13.2V）和负载电流从0A到10A时的输出电压调节曲线。

5.3 环路稳定性

展示了在输入电压为12V、输出电压为3.3V、负载电流为10A时的环路响应曲线。

六、EVM组装图和布局

评估模块采用4层、2盎司覆铜板、3.0英寸×3.25英寸的电路板设计，大部分组件在顶层，方便用户观察、探测和评估TPS40100控制IC。

七、材料清单

详细列出了评估模块所使用的各种组件，包括电容、电阻、二极管、MOSFET、连接器等的数量、参考编号、值、描述、尺寸、零件编号和制造商。

八、修订历史

记录了从2005年5月版本到2022年3月版本的修订内容，主要包括表格、图形编号格式的更新和用户指南标题的更新。

通过以上对TPS40100 Buck控制器评估模块的详细介绍，相信电子工程师们能更好地了解和使用该模块，在实际设计中充分发挥其性能优势。大家在使用过程中是否遇到过类似模块的特殊问题呢？欢迎分享交流。