12V 输入、1.5V 输出、40A 双相同步降压转换器 TPS40130EVM - 001 测评

在电子设计领域，电源模块的高效性和稳定性至关重要。今天我们来深入了解一款德州仪器（TI）推出的 TPS40130EVM - 001 评估模块，它能将 12V 输入转换为 1.5V 输出，最大输出电流可达 40A，是一款颇具特色的双相同步降压转换器。

文件下载：TPS40130EVM-001.pdf

一、产品概述

TPS40130EVM - 001 评估模块设计用于使用 10 - 14V 的稳压总线，提供高达 40A 负载电流的 1.5V 稳压输出。它采用了多项先进技术来提升性能，比如无损 DCR 电流感应技术，无需电流感应电阻，减少了损耗并提高了效率；单位增益放大器提供精确的集成远程感应功能，可实现高精度的负载点稳压输出电压；独立的可编程过压保护（OVP），即使在用户调整输出电压或意外将反馈引脚接地时，也能提供精确的过压保护。

1.1 应用场景

该模块适用于多种场景，包括非隔离高电流负载点和低压总线转换器、视频图形适配器、互联网服务器、网络设备、电信设备以及直流电源分布式系统等。

1.2 产品特性

• 高效转换：在 10V 输入时，峰值效率达 91%，满载效率为 89%。
• 宽输入范围：输入电压范围为 10 - 14V。
• 固定输出可调：固定 1.5V 输出，可通过单个电阻进行调整。
• 高输出电流：稳态输出电流可达 40A。
• 高频运行：每相 330kHz 运行，输出纹波频率为 660kHz。
• 电路设计：每相采用单个主开关 MOSFET 和双同步整流 MOSFET，单组件面、表面贴装设计（4.5" × 4.0”），四层 PCB 且所有组件都在顶层，方便测试和评估。
• 控制模式：采用电流模式控制并强制均流。
• 测试便利：设有方便的测试点，可用于探测关键波形和进行非侵入式环路响应测试。
• 单电源运行：内置 5V LDO 实现单电源运行，还预留了 TPS40120 数字控制电阻网络的空间用于 6 位 VID 控制（未填充）。

二、电气性能规格

2.1 输入特性

• 输入电压范围：10 - 14V。
• 最大输入电流：当输入电压为 10V，输出电流为 40A 时，最大输入电流为 6.9A。
• 空载输入电流：输入电压为 14V，输出电流为 0A 时，空载输入电流为 180mA。

2.2 输出特性

• 输出电压：当 R14 = 8.66kΩ 时，输出电压在 1.45 - 1.55V 之间，典型值为 1.5V。
• 输出电压调节：线路调节（10V < VIN < 14V，IOUT = 20A）和负载调节（0A < IOUT < 40A，VIN = 12V）均不超过 1%。
• 输出电压纹波：输入电压为 14V，输出电流为 40A 时，输出电压纹波不超过 30mVpp。
• 输出负载电流：范围为 0 - 40A。
• 输出过流：源电流限制为 8.5A，负载电流限制为 40A。
• 输出电流限制：输入电压为 12V 时，电流限制为 80A。
• 开关频率：范围为 300 - 360kHz，典型值为 330kHz。
• 效率：在不同输入电压和输出电流条件下，峰值效率和满载效率有所不同。例如，在输出电压为 1.5V，20A < IOUT < 30A 时，10V 输入的峰值效率为 91%；输出电流为 40A 时，10V 输入的满载效率为 89%。

三、电路原理图及参数调整

3.1 输出电压调整

通过改变反馈电阻分压器中的接地电阻 R14，可以在有限范围内调整稳压输出电压。输出电压计算公式为 (V{VOUT }=V{VREF } × frac{R 14+R 6}{R 14})，其中 (V_{VREF } = 0.7V)，(R6 = 10.0kΩ)。文档中给出了不同输出电压对应的 R14 值，如 3.3V 对应 2.67kΩ，1.5V 对应 8.66kΩ 等。不过需要注意的是，虽然模块在这些输出电压下稳定，但由于功率级是为 1.5V 输出优化的，效率可能会受到影响。

3.2 过压保护调整

输出电压通过独立于反馈回路的过压保护电路进行保护，以防止损坏 4V 输出电容器。初始设置为 3.5V，允许用户将输出电压从 1.2V 调整到 3.3V。通过改变 R1 可调整过压保护设定点，计算公式为 (V{OVP }=V{OVSET } × frac{R 1+R 4}{R 1})，其中 (V_{OVSET } = 0.816V)，(R4 = 10.0kΩ)。当 R1 = R14 时，电压设定值和过压保护设定点之间有 14% - 18% 的余量。若要获得更窄的过压余量，需密切关注过压保护参考电压的公差。

3.3 过流保护调整

TPS40130EVM - 001 预配置的过流保护（OVP）设置较高，以便转换器能够提供高电流、短时间负载，并在有足够气流的情况下在更高负载下运行，同时提供输出短路保护。若要将电流限制设置为较低值，可根据文档中的表格改变 R19 的值。

3.4 使用外部 5V 电源

该模块设计为通过内置的 TL751 5V LDO 从单个 12V 电源运行，但如果目标系统中有单独的 5V 总线，也可使用外部 5V 电源。使用时，通过 5V_IN（J7）连接外部电源，并移除 R32 和 R33 以断开 LDO 与电路的连接。模块从 5V 电源所需的电流约为 50mA。

四、测试设置

4.1 测试设备

• 电压源：输入电压源 (V12V_IN) 应为 0 - 15V 的可变直流源，能够提供 8.5Adc 的电流，连接到 J1 和 J6。
• 仪表：包括 0 - 10Adc 的电流表 A1、0 - 15V 的电压表 V1（测量 (V{12 ~V underline IN})）和 0 - 5V 的电压表 V2（测量 (V{1 ~V 5 OUT })）。
• 负载：输出负载 LOAD1 应为能够在 1.5V 下提供 0 - 40Adc 的电子恒流模式负载。
• 推荐线规：(V_{12 ~V underline IN}) 到 J1 和 J6 的连接，最小推荐线径为 AWG #16，总长度小于 4 英尺；J4 到 LOAD1 的连接，最小推荐线径为 4 x AWG #16，总长度小于 1 英尺；J2 和 J5 到 LOAD1 的连接，最小推荐线径为 2 x AWG #16，总长度小于 1 英尺。
• 其他：需要一个能够提供 200 - 400 lfm 风量的小风扇，以降低组件表面温度，防止用户受伤；还需要一台 60MHz 或更快的示波器，用于测量 1V5_OUT 的纹波电压，示波器应设置为 1MΩ 阻抗、交流耦合、1µs/division 水平分辨率和 20mV/division 垂直分辨率。

4.2 设备设置及操作步骤

按照文档中的推荐测试设置图进行连接，连接时要注意 J1、J2、J5 和 J6 的返回端虽相同，但连接应保持分开。操作步骤如下：

1. 在 ESD 工作站工作，确保在给 EVM 通电前，将任何腕带、鞋套或垫子连接到接地端，同时穿戴静电服和安全眼镜。
2. 在连接直流输入源 (V12V_IN) 之前，建议将源电流限制在最大 7.0A，并将 (V12V_IN) 初始设置为 0V，按图连接。
3. 在 (V_{12 ~V underline IN}) 和 J1、J2 之间连接电流表 A1（0 - 7A 范围）。
4. 将电压表 V1 连接到 12V_IN + 和 12V_IN -。
5. 将 LOAD1 连接到 J2，并在施加 (V_{12 ~V underline IN}) 之前将 LOAD1 设置为恒流模式以吸收 0Adc。
6. 将电压表 V2 跨接在 1V5_OUT + 和 1V5_OUT - 上。
7. 按图放置风扇并打开，确保空气流过 EVM。

4.3 启动/关闭程序

启动时，先将 (V_{12 ~V underline IN}) 从 0Vdc 增加到 10Vdc，然后将 LOAD1 从 0Adc 变化到 40Adc，再将 (V12VIN) 从 10Vdc 变化到 14Vdc，最后将 LOAD1 减小到 0A，将 (V{12 ~V underline IN}) 减小到 0V。关闭时，依次关闭示波器、LOAD1、(V_{12 ~V underline IN}) 和风扇。

五、典型性能数据和特性曲线

文档中给出了 TPS40130EVM - 001 的典型性能曲线，包括效率、线路调节、负载调节和瞬态响应等。这些曲线仅供参考，实际性能数据可能会受到测量技术和环境变量的影响。

六、EVM 组装图纸和布局

TPS40130EVM - 001 的印刷电路板采用 4 层、2 - oz 覆铜电路板设计，尺寸为 4.5" × 4.0”，所有组件都在顶层，方便用户在实际应用中轻松查看、探测和评估 TPS40130 控制 IC。对于空间受限的系统，可将组件移到 PCB 两侧或使用额外的内部层以进一步减小尺寸。

七、材料清单

文档详细列出了 EVM 的组件清单，包括电容器、二极管、电感器、MOSFET、电阻器、测试点、IC 等，以及它们的数量、参考编号、描述、尺寸、制造商和零件编号等信息。

综上所述，TPS40130EVM - 001 评估模块是一款性能出色、功能丰富的双相同步降压转换器，在高电流、低电压的电源转换应用中具有很大的优势。电子工程师们在设计相关电路时，可以根据实际需求参考其电气性能规格、电路原理图和测试方法等，以实现高效、稳定的电源设计。大家在使用这款模块的过程中，有没有遇到过什么特别的问题或有独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。