TPS40193EVM - 001评估模块：同步降压转换器的详细解析

在电子设计领域，同步降压转换器是一种常见且重要的电源转换设备。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（Texas Instruments）的TPS40193EVM - 001评估模块，它围绕TPS40193同步降压控制器构建，为评估和原型设计提供了便利。

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一、模块概述

1.1 基本描述

TPS40193EVM - 001评估模块是一款同步降压转换器，它能将12V输入总线转换为固定的1.8V输出，最大负载电流可达10A。该模块设计为单电源供电，启动时无需额外的偏置电压。它采用了引脚数量减少的中压同步降压控制器TPS40193，可使用8V - 14V的稳压总线，通过改变单个设置电阻，还能支持0.9V - 3.3V的输出电压。

1.2 应用场景

该模块适用于多种场景，包括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、计算机外设以及数字机顶盒等。

1.3 模块特性

• 输入范围：8V - 14V。
• 输出特性：固定1.8V输出，可通过单个电阻调节；直流稳态输出电流最大10A。
• 开关频率：300kHz（由TPS40193固定）。
• MOSFET：主开关和同步整流器均采用单SO - 8 MOSFET。
• PCB设计：双面、两层有源印刷电路板（PCB），所有组件都在顶层；测试点信号路由在内部层。
• 其他特点：有源转换器面积小于1.2平方英寸；方便的测试点，可用于探测开关波形和进行非侵入式环路响应测试。

二、电气性能规格

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入特性
输入电压	(V_{IN})		8	12	14	V
输入电流	(I_{IN})	(V{IN}) = Min，(I{OUT}) = Max	2.7	2.85		A
无负载输入电流		(V{IN}) = Min，(I{OUT}) = 0A	48	60		mA
输入欠压锁定	(V_{IN_UVLO})	(I_{OUT}) = Min to Max	3.9	4.2	4.4	V
输入过压	(V_{IN_OV})	(I_{OUT}) = Min to Max			N/A	V
输出特性
输出电压	(V_{OUT})	(V{IN}) = NOM，(I{OUT}) = NOM	1.86	1.8	1.84	V
线性调整率		(V{IN}) = Min to Max，(I{OUT}) = NOM		0.5		%
负载调整率		(V{IN}) = NOM，(I{OUT}) = Min to Max		0.5		%
输出电压纹波	(V_{OUT_Ripple})	(V{IN}) = NOM，(I{OUT}) = MAX			40	mVPP
输出电流	(I_{OUT})	(V_{IN}) = Min to Max	0	6	10	A
输出过流起始点	(I_{OCP})	(V{IN}) = NOM，(V{OUT}) = ((V_{OUT}) – 5%)			19	A
输出过压保护	(V_{OVP})	(I_{OUT}) = Min to Max			N/A	V
瞬态响应
负载阶跃	(Delta I)	0.75 × (I{OUT_Max}) to 0.25 × (I{OUT_Max})			5	A
负载斜率					5 A/μs
过冲					50	mV
稳定时间						ms
系统特性
开关频率	(F_{SW})		250	300	350	kHz
峰值效率	(eta_{PK})	(V{IN}) = NOM，(I{OUT}) = Min to Max		95		%
满载效率	(eta)	(V{IN}) = NOM，(I{OUT}) = Max		92		%
工作温度范围	(T_{OP})	(V{IN}) = Min to Max，(I{OUT}) = Min to Max	-40	25	60	°C
机械特性
宽度	(W)	（有源区域）			1.54	in
长度	(L)	（有源区域）			0.76	in

三、通用配置与说明

3.1 调整输出电压（R7）

通过改变反馈电阻分压器中的接地电阻R7，可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{8}+R{7}}{R{7}})，其中(V{VREF}=0.591V)，(R_{8}=20 kΩ)。常见输出电压对应的R7值如下表所示：	(V_{OUT})	(R_{7}) (kΩ)
3.3V	4.32
2.5V	6.19
2.25V	7.15
2.0V	8.25
1.8V	9.76
1.5V	13.0
1.2V	19.1
1.0V	28.7
0.9V	38.3

这些值能使输出电压的标称设定点误差小于1%。若需要更精确的标称值，可将R5与R7并联，使用常见的E96电阻以获得更宽的电阻值范围。

3.2 调整短路保护（R9）

TPS40193采用可选的电流限制进行短路保护，通过在R9处放置电阻从三个预定义级别中选择电流限制。TPS40193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。不同VSCP对应的R9值如下：	(V_{SCP}) (min)	(R_{9}) (kΩ)
88mV	3.9
160mV	Open
228mV	12

宣布短路保护前的电流可通过将(V{SCP})除以高端FET（Q2）的(R{DS(ON)})来确定。

3.3 禁用跳线（JP1）

TPS40193EVM - 001提供一个三针、100密耳（0.100英寸）的插头和分流器，用于测试TPS40193的禁用功能。将JP1分流器置于左侧位置时，JP1驱动Q1 FET将TPS40193的EN引脚拉低，禁用控制器；移除JP1分流器或将其安装在右侧位置时，JP1将Q1栅极短路到地，启用TPS40193EVM - 001输出。

3.4 测试点说明

测试点标签	使用/功能	章节
TP1	监控模块的输入电压	4.4.1
TP2	监控模块的输入电压
TP3	电源良好输出电压
TP4	电源良好电路的外部源	4.4.2
TP5	电源良好外部源的接地
TP6	监控COMP电压	4.4.3, 4.4.5
TP7	SW、LDRV和HDRV测量的接地
TP8	监控高端栅极驱动（Q2）	4.4.4
TP9	监控开关节点波形
TP10	监控低端栅极驱动（Q3）
TP11	环路监控探头的接地
TP12	环路注入点和注入监控点	4.4.5
TP13	环路注入点和输出响应监控点
TP14	环路监控探头的接地
TP15	监控模块的输出电压	4.4.6
TP16	监控模块的输出电压
TP17	预偏置注入点，用于测试预偏置负载兼容性	4.4.7

不同测试点有不同的作用，例如TP1和TP2用于测量模块的输入电压，TP15和TP16用于测量模块的输出电压等。

四、测试设置

4.1 所需设备

• 电压源：输入电压源(V_{IN})应为0V - 15V的可变直流源，能够提供5A的直流电流。
• 仪表：包括0A - 5A的直流电流表A1、0V - 15V的电压表V1和0V - 5V的电压表V2。
• 负载：输出负载LOAD1应为能够在1.8V下提供0A - 10A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测量(V_{OUT})上的纹波电压，示波器应设置为1MΩ阻抗、20MHz带宽、交流耦合、1μs/格的水平分辨率和10mV/格的垂直分辨率。
• 推荐线规：(V_{IN})到J1的连接推荐使用AWG #16的电线，总长度小于4英尺；J2到LOAD1的电源连接推荐使用2× AWG #16的电线，总长度小于2英尺。
• 其他：由于评估模块中的组件可能会发热，需要一个能够提供200lfm - 400lfm风量的小风扇来降低组件表面温度，防止用户受伤。

4.2 设备设置

按照图5 - 1至图5 - 3所示的基本测试设置进行连接，注意J1和J2的返回线路应保持分开。

4.3 启动/关闭程序

启动步骤：

1. 将(V_{IN})从0V增加到12V直流。
2. 将LOAD1从0A变化到10A直流。
3. 将(V_{IN})从8.0V直流变化到14V直流。

关闭步骤：

1. 将(V_{IN})降低到0V直流。
2. 将LOAD1降低到0A。

4.4 输出纹波电压测量程序

1. 将(V_{IN})从0V直流增加到12V直流。
2. 将LOAD1调整到0A - 10A直流之间的所需负载。
3. 将(V_{IN})调整到8.0V直流 - 14V直流之间的所需负载。
4. 按照图5 - 2所示将示波器探头连接到TP15和TP16。
5. 测量输出纹波。
6. 将(V_{IN})降低到0V直流。
7. 将LOAD1降低到0A。

4.5 控制环路增益和相位测量程序

1. 按照图5 - 3所示将1kHz - 1MHz的隔离变压器连接到TP12和TP13。
2. 按照图5 - 3所示将输入信号幅度测量探头（通道A）连接到TP12。
3. 按照图5 - 3所示将输出信号幅度测量探头（通道B）连接到TP13。
4. 按照图5 - 3所示将通道A和通道B的接地引线连接到TP11和TP14。
5. 通过隔离变压器在R14上注入30mV（或更小）的信号。
6. 将频率从1kHz扫描到1MHz，使用1Hz或更低的后置滤波器。
7. 控制环路增益可通过公式(20 × LOGleft(frac{ Channel B}{ Channel A}right))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. 通过将通道A探头连接到TP6（COMP），通道B探头连接到TP13，可测量控制到输出响应（功率级传递函数）。
10. 通过将通道B探头连接到TP6（COMP），通道A探头连接到TP12，可测量输出到控制响应（误差放大器传递函数）。
11. 在进行其他测量之前，将隔离变压器从TP12和TP13断开，因为反馈中的信号注入可能会干扰其他测量的准确性。

4.6 设备关闭

1. 关闭示波器。
2. 关闭(V_{IN})。
3. 关闭LOAD1。
4. 关闭风扇。

五、典型性能数据和特性曲线

图6 - 1至图6 - 7展示了TPS40193EVM - 001的典型性能曲线，包括效率与负载电流的关系、输出电压与负载电流的关系、输出电压纹波、开关节点波形以及控制环路波特图等。但实际性能数据可能会受到测量技术和环境变量的影响，这些曲线仅作参考。

六、EVM组装图纸和布局

图7 - 1至图7 - 6展示了TPS40193EVM - 001印刷电路板（PCB）的设计。该EVM采用4层、2oz覆铜PCB（2.5英寸×2.5英寸），所有组件位于顶层1.54英寸×0.76英寸的有源区域，所有有源走线位于电路板的顶层和底层。这种配置方便用户在实际的双面应用中查看、探测和评估TPS40193控制IC。

七、物料清单

文档中的表8 - 1列出了根据原理图配置的EVM组件，包括电容、电阻、二极管、MOSFET、电感、连接器等各种元件的型号、参数和制造商信息。

八、总结

TPS40193EVM - 001评估模块为电子工程师提供了一个方便的测试平台，用于评估TPS40193控制器在实际应用中的性能，并进行同步降压转换器的原型设计。通过对其电气性能、配置、测试设置等方面的了解，工程师可以更好地利用该模块进行电源设计和优化。大家在使用过程中，有没有遇到过一些特殊的问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享。