TPS40190 Buck控制器评估模块用户指南

在电子设计领域，评估模块是验证和测试新器件性能的重要工具。本文将详细介绍德州仪器（Texas Instruments）的TPS40190 Buck控制器评估模块（TPS40190EVM - 001），包括其基本信息、电气性能规格、测试设置等内容，希望能为电子工程师们在实际应用中提供参考。

文件下载：TPS40190EVM-001.pdf

一、模块简介

1.1 描述

TPS40190EVM - 001是一款同步降压转换器评估模块，它能从12V输入总线提供固定的1.5V输出，最大负载电流可达10A。该模块设计为可从单电源启动，无需额外的偏置电压。它采用了引脚数量减少的TPS40190同步降压控制器，可使用10V - 14V的稳压总线产生高电流、稳压的1.5V输出。此外，通过更改单个设置电阻，该模块还能支持0.9V - 3.3V的输出电压。

1.2 应用

该评估模块适用于多种应用场景，如非隔离中电流负载点和低压总线转换器、网络设备、电信设备以及直流电源分布式系统等。

1.3 特性

• 输入范围：10V - 14V
• 输出电压：固定1.5V，可通过单个电阻调节
• 输出电流：稳态输出电流可达10A
• 开关频率：300kHz（由TPS40190固定）
• MOSFET配置：采用单个主开关N沟道MOSFET和单个同步整流N沟道MOSFET
• PCB设计：双面3英寸×3英寸的PCB，所有组件都在顶面
• 测试点：提供方便的测试点，用于探测关键波形和进行非侵入式环路响应测试

二、电气性能规格

2.1 输入特性

• 输入电压范围：10V - 14V
• 最大输入电流：当输入电压为10V，输出电流为10A时，最大输入电流为2A
• 无负载输入电流：当输入电压为14V，输出电流为0A时，无负载输入电流为100mA

2.2 输出特性

• 输出电压：在特定电阻配置下，输出电压范围为1.45V - 1.55V
• 电压调节：包括线路调节（10V < VIN < 14V，IOUT = 5A时，输出电压调节为1%）和负载调节（0A < IOUT < 10A，VIN = 12V）
• 输出电压纹波：当输入电压为14V，输出电流为10A时，输出电压纹波为25 - 50mVpp
• 输出负载电流：范围为0 - 10A
• 输出过电流：23A

2.3 系统特性

• 开关频率：范围为240 - 360kHz
• 峰值效率：在不同输入电压和输出电流条件下，峰值效率有所不同，例如在V12V_IN = 10V，VOUT = 1.5V，8A < IOUT < 12A时，峰值效率为87%
• 满载效率：在不同输入电压和输出电流条件下，满载效率也有所不同，例如在V12V_IN = 10V，VOUT = 1.5V，IOUT = 15A时，满载效率为84%

三、原理图及参数调整

3.1 调整输出电压（R1）

通过改变反馈电阻分压器中的接地电阻R1，可以在有限范围内调节稳压输出电压。输出电压可由公式[V{OUT }=V{V R E F} × frac{R 5+R 1}{R 1}]计算得出，其中(V_{VREF}=0.591V)，(R 5 = 10kΩ)。文档中还给出了不同输出电压对应的R1常见值。需要注意的是，虽然TPS40190EVM - 001在这些输出电压下是稳定的，但由于功率级是针对1.5V输出进行优化的，因此效率可能会受到影响。

3.2 调整短路保护（R6）

TPS40190采用可选的电流限制来实现短路保护。通过在R6处放置电阻，可以从三个级别中选择电流限制。TPS40190将高端FET（VDD到SW）上的电压降与启动期间选择的内部参考电压进行比较。文档中给出了不同VSCP对应的R6值。在宣布短路保护之前的电流可以通过将VSCP除以高端FET（Q2）的RDS(ON)来确定。

3.3 禁用功能（TP1和SW1）

TPS40190EVM - 001提供了禁用输入（TP1）和禁用开关（SW1），使用户能够评估TPS40190的启用功能。当开关打开或TP1被拉高时，Q1将EN（U1引脚1）拉至接地，从而禁用TPS40190 IC。

四、测试设置

4.1 设备要求

• 电压源（V12V_IN）：应是一个0V - 15V的可变直流电源，能够提供5A的直流电流。
• 仪表：包括一个0A - 5A的直流电流表A1、一个测量V12V_IN的0V - 15V电压表V1和一个测量V1V5_OUT的0V - 5V电压表V2。
• 负载（LOAD1）：应是一个能够在1.5V下提供0A - 15A直流电流的电子恒流模式负载。
• 示波器：可使用数字或模拟示波器来测量VOUT上的纹波电压，示波器应设置为1MΩ阻抗、20MHz带宽、交流耦合、1ms/格的水平分辨率和20mV/格的垂直分辨率。
• 推荐线规：V12V_IN到J1的连接应使用最小AWG #16的电线，总长度小于4英尺；J2到LOAD1的电源连接应使用2× AWG #16的电线，总长度小于4英尺。
• 风扇：由于评估模块中的组件可能会发热，需要一个能够提供200 - 400 lfm风量的小风扇来降低组件表面温度，以防止用户受伤。

4.2 设备设置步骤

1. 在静电放电（ESD）工作站工作，确保在给评估模块通电之前，将任何腕带、靴带或垫子连接到接地参考点，并佩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5.0A，并确保V12V_IN初始设置为0V，然后按照图4 - 1所示进行连接。
3. 将电流表A1（0A - 5A范围）连接在V12V_IN和J1之间。
4. 将电压表V1连接到TP6和TP7。
5. 将LOAD1连接到J2，并在施加V12V_IN之前将LOAD1设置为恒流模式，使其吸收0A的电流。
6. 将电压表V2跨接在TP8和TP11之间。
7. 将示波器探头连接到TP9和TP10。
8. 按照图4 - 1所示放置风扇并打开，确保空气流过评估模块。

4.3 启动/关闭程序

1. 将V12V_IN从0V增加到10V DC。
2. 将LOAD1从0A变化到10A DC。
3. 将V12V_IN从1V DC变化到14V DC。
4. 将LOAD1减小到0A。

4.4 控制环路增益和相位测量程序

1. 将一个1kHz - 1MHz的隔离变压器连接到TP2和TP3。
2. 将输入信号幅度测量探头（通道A）连接到TP2。
3. 将输出信号幅度测量探头（通道B）连接到TP3。
4. 将通道A和通道B的接地引线连接到TP4。
5. 通过隔离变压器在R7上注入25mV或更小的信号。
6. 以10Hz或更低的后置滤波器从1kHz到1MHz进行频率扫描。
7. 控制环路增益可以通过(20 ×LOG(frac{ ChannelB }{ ChannelA }))测量。
8. 控制环路相位通过通道A和通道B之间的相位差测量。
9. 在进行其他测量之前，从TP2和TP3断开隔离变压器，因为信号注入反馈可能会干扰其他测量的准确性。

4.5 设备关闭

1. 关闭示波器。
2. 关闭LOAD1。
3. 关闭V12V_IN。
4. 关闭风扇。

五、典型性能数据和特性曲线

文档中给出了TPS40190EVM - 001的典型性能曲线，包括效率曲线和线路及负载调节曲线。需要注意的是，实际性能数据可能会受到测量技术和环境变量的影响，这些曲线仅作为参考，可能与实际现场测量结果有所不同。

六、EVM组装图和布局

TPS40190EVM - 001的印刷电路板采用双面、2盎司覆铜的3.0英寸×3.0英寸设计，所有组件都在顶面，方便用户查看、探测和评估TPS40190控制IC在实际应用中的性能。对于空间受限的系统，将组件移动到PCB的两侧或使用额外的内部层可以进一步减小尺寸。

七、材料清单

文档中提供了TPS40190EVM - 001的材料清单，包括各个组件的数量、参考编号、描述、尺寸、制造商和零件编号等信息，为工程师在设计和组装过程中提供了详细的参考。

八、修订历史

从2005年9月的版本到2022年1月的版本，文档进行了一些更新，包括更新表格、图形和交叉引用的编号格式、更新用户指南标题以及编辑用户指南以提高清晰度。

在实际使用TPS40190EVM - 001评估模块时，电子工程师们需要仔细阅读本文档，按照要求进行测试设置和操作，以确保准确评估模块的性能。同时，要注意文档中提到的注意事项和安全要求，避免因操作不当而导致设备损坏或人身伤害。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。