TPS51163 Buck控制器评估模块使用指南

一、引言

在电子设计领域，高效的电源转换模块至关重要。TPS51163EVM评估模块就是这样一款高性能的单相同步降压控制器，它能从12V输入总线提供高达10A的1.2V固定输出，为众多应用场景提供了稳定的电源解决方案。

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二、模块描述

设计目的

TPS51163EVM旨在利用12V（8V - 14V）的稳压总线，产生高达10A负载电流的1.2V稳压输出。它不仅能在典型的低压应用中展示TPS51163的性能，还提供了多个测试点，方便工程师评估其性能。

典型应用

1. 服务器和桌面计算机子系统电源：为计算机系统提供稳定的电源，确保系统的正常运行。
2. 分布式电源：在分布式电源系统中，实现高效的电压转换。
3. 通用DC - DC转换器：广泛应用于各种需要电压转换的场合。

模块特性

1. 高电流输出：具备10A的直流稳态电流，满足高负载需求。
2. 预偏置输出电压启动：支持预偏置输出电压启动，增强了系统的灵活性。
3. 高开关频率：600kHz的开关频率，有助于提高转换效率。
4. 使能功能：通过JP1实现使能功能，方便控制模块的工作状态。
5. 测试点丰富：提供方便的测试点，用于探测关键波形和进行环路响应测试。
6. PCB设计：采用四层2盎司铜的PCB，所有组件都位于顶层，便于布局和散热。

三、电气性能规格

输入特性

规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压范围（VIN）	-	8	12	14	V
最大输入电流（IIN(max)）	VIN = 8 V, IO = 10 A	-	-	1.7	A
无负载输入电流（IIN）	VIN = 14 V, IO = 0 A	-	-	35	mA

输出特性

规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输出电压（VOUT）	-	-	1.2	-	V
线路调节率	-	-	0.1%	-	-
输出电压调节率（VREG）	-	-	-	-	-
负载调节率	-	-	0.4%	-	-
输出电压纹波（VRIPPLE）	VIN = 12 V, IO = 10 A	-	-	20	mVpp
输出负载电流	-	0	-	10	A
输出过流阈值	-	-	-	15	A

系统特性

规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
开关频率（fSW）	-	-	600	-	kHz
峰值效率（η）	VIN = 12 V, VOUT = 1.2 V, IO = 8 A	-	89.13%	-	-
满载效率（η）	VIN = 12 V, VOUT = 1.2 V, IO = 10 A	-	88.96%	-	-
工作环境温度（TA）	-	-	25	-	°C

四、测试设置

测试设备

1. 电压源：输入电压源 (V_{IN }) 应为0V - 14V的可变直流源，能够提供10A的直流电。
2. 万用表：使用量程为0V - 14V的电压表测量 (V{IN})，量程为0V - 5V的电压表测量 (V{OUT})，量程为0A - 10A的电流表测量输入电流。
3. 输出负载：输出负载应为电子恒阻模式负载，能够在1.2V下提供0A - 20A的电流。
4. 示波器：使用数字或模拟示波器测量输出纹波，设置为1MΩ阻抗、20MHz带宽、AC耦合、1μs/division水平分辨率和20mV/division垂直分辨率。
5. 风扇：由于模块中的一些组件在运行时温度可能达到60°C，建议使用200 - 400LFM的小风扇降低组件温度。
6. 推荐线规：对于 (V_{IN}) 到J1的连接，推荐使用1 × AWG #14的电线，总长度小于4英尺；对于J2到负载的连接，最小推荐线规为1 × AWG #14，总长度小于4英尺。

推荐测试设置

在ESD工作站工作时，确保在给EVM供电前，将任何腕带、靴带或垫子连接到接地参考。按照图7 - 2所示进行连接，包括输入连接、输出连接和其他连接（如放置风扇）。

五、测试程序

线路/负载调节和效率测量程序

1. 将负载设置为恒阻模式，并使其吸收0A电流。
2. 在施加 (V_{IN}) 之前，将EVM中提供的跳线短接在JP1上。
3. 使用V1测量输入电压，将 (V_{IN}) 从0V增加到12V。
4. 移除JP1上的跳线以启用控制器。
5. 在0A - 10A之间改变负载， (V_{OUT}) 应保持在负载调节范围内。
6. 在8V - 14V之间改变 (V{IN})， (V{OUT}) 应保持在线路调节范围内。
7. 将跳线放在JP1上以禁用控制器。
8. 将负载减小到0A。
9. 将 (V_{IN}) 减小到0V。

控制环路增益和相位测量程序

1. 按照8.1节和图7 - 2所述设置EVM。
2. 将隔离变压器连接到标记为TP4和TP3的测试点。
3. 将输入信号幅度测量探头（通道A）连接到TP4。
4. 将输出信号幅度测量探头（通道B）连接到TP3。
5. 将通道A和通道B的接地引线连接到TP9和TP10。
6. 通过隔离变压器注入约40mV或更小的信号。
7. 使用10Hz或更低的后置滤波器将频率从100Hz扫描到1MHz，测量控制环路增益和相位裕度。
8. 在进行其他测量之前，从波特图测试点断开隔离变压器（信号注入反馈可能会干扰其他测量的准确性）。

测试点列表

测试点	名称	描述
TP1	VIN+	12V输入
TP2	PGND	(V_{IN}) 的PGND
TP3	CHB	环路注入的输入B
TP4	CHA	环路注入的输入A
TP5	SW	监控开关节点电压
TP6	VOUT	(V_{OUT})
TP7	COMP	COMP/ 使能
TP8	PGND	(V_{OUT}) 的PGND
TP9	GND	环路测量的GND
TP10	PGND	PGND
TP11	PGOOD	电源良好
TP12	GND	外部5VIN的GND
TP13	5Vin	外部5VIN
TP14	5Vbias	VDD的5V偏置

设备关机程序

1. 关闭负载。
2. 关闭 (V_{IN})。
3. 关闭风扇。

六、性能数据和典型特性曲线

文档中提供了一系列典型性能曲线，包括效率、负载调节、线路调节、环路响应增益和相位、负载瞬态、输出过流保护、输出纹波、开关节点波形、使能开启和使能关闭等曲线，这些曲线直观地展示了TPS51163EVM的性能特点。

七、EVM组装图和PCB布局

TPS51163EVM的印刷电路板采用四层2盎司铜设计，文档中展示了顶层组装图、底层组装图、顶层铜层、内部层1、内部层2和底层铜层的设计。

八、材料清单

文档提供了TPS51163EVM的材料清单，包括各种电容、电感、电阻、二极管、MOSFET和IC等组件的型号和规格。

在实际设计中，工程师可以根据这些信息选择合适的组件，搭建出满足需求的电源系统。同时，通过对测试程序和性能数据的分析，进一步优化系统性能。大家在使用TPS51163EVM时，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享。