TPS53353 降压转换器评估模块使用指南

一、引言

在电子设计领域，降压转换器是一种常见且关键的电路元件，用于将较高的输入电压转换为较低的输出电压，以满足不同电子设备的供电需求。德州仪器（Texas Instruments）的 TPS53353 降压转换器评估模块（TPS53353EVM - 744）为工程师提供了一个便捷的平台，用于评估 TPS53353 芯片的性能。本文将详细介绍该评估模块的相关信息，包括其功能、性能参数、测试设置、配置方法以及测试流程等内容。

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二、评估模块概述

2.1 典型应用

TPS53353EVM - 744 适用于多种应用场景，如服务器/存储设备、工作站和台式机以及电信基础设施等。这些场景通常需要稳定的低电压电源供应，而该评估模块能够满足这一需求。

2.2 模块特性

• 输出电流：能够提供高达 20A 的稳态输出电流，满足高负载设备的供电要求。
• 预偏置启动：支持预偏置输出电压启动，增强了系统的灵活性。
• 可配置参数：通过多个跳线（J5、J4、J2、J6）可以进行开关频率、软启动时间、工作模式以及使能功能的选择。
• 测试点丰富：提供了方便的测试点，便于工程师探测关键波形，评估芯片性能。

三、电气性能规格

3.1 输入特性

• 电压范围：输入电压范围为 8V 至 14V，最大输入电流在输入电压为 8V 且输出电流为 20A 时为 4.1A。在输入电压为 14V 且输出电流为 0A（自动跳过模式）时，无负载输入电流仅为 1mA。

  3.2 输出特性

• 输出电压：固定输出电压为 1.5V。
• 电压调节：线路调节率（输入电压在 8V - 14V 变化时）为 0.1%，负载调节率（输入电压为 12V，输出电流在 0A - 20A 变化时）为 1%。
• 输出纹波：在输入电压为 12V 且输出电流为 20A 时，输出电压纹波为 20mVpp。
• 输出电流：输出负载电流范围为 0A 至 20A，输出过流保护点为 26A。

  3.3 系统特性

• 开关频率：默认开关频率为 500kHz。
• 效率：在输入电压为 12V，输出为 1.5V/10A 时，峰值效率为 91.87%；在 1.5V/20A 满载时，效率为 91.38%。
• 工作温度：工作温度为 25°C。

四、测试设置

4.1 测试设备

• 电压源：输入电压源 (V_{IN}) 需为 0V 至 14V 的可变直流源，能够提供 10A 的直流电流。
• 万用表：使用两个万用表，V1 用于测量输入电压（连接在 TP1 和 TP2 之间），V2 用于测量输出电压（连接在 TP5 和 TP7 之间），A1 用于测量输入电流。
• 输出负载：输出负载应为电子恒阻模式负载，能够在 1.5V 下提供 0A - 30A 的直流电流。
• 示波器：可使用数字或模拟示波器测量输出纹波，需设置为 1MΩ 阻抗、20MHz 带宽、AC 耦合、2µs/division 水平分辨率和 50mV/division 垂直分辨率。
• 风扇：由于评估模块中的部分组件在运行时温度可能接近 60°C，建议使用一个风量为 200 - 400LFM 的小风扇来降低组件温度。
• 推荐线规：输入连接（(V_{IN}) 到 J1）推荐使用 1×AWG 14 规格的电线，总长度小于 4 英尺；J3 到负载的连接，最小推荐使用 2×AWG 14 规格的电线，总长度也小于 4 英尺。

4.2 推荐测试设置

在静电放电（ESD）工作站进行测试，确保在给评估模块供电前，将任何腕带、靴带或垫子连接到接地端。具体连接步骤如下：

• 输入连接：连接直流输入源 (V{IN}) 前，建议将源电流限制在最大 10A，初始将 (V{IN}) 设置为 0V，按照图 4 - 2 进行连接。连接电压表 V1 测量输入电压，连接电流表 A1 测量输入电流。
• 输出连接：将负载连接到 J3，并在施加 (V_{IN}) 前将负载设置为恒阻模式，吸收 0A 电流。连接电压表 V2 测量输出电压。
• 其他连接：按照图 4 - 2 放置风扇并开启，确保空气流过评估模块。

五、配置方法

所有跳线选择必须在给评估模块供电前完成，用户可以根据以下配置进行操作：

5.1 开关频率选择

使用 J5 设置开关频率，默认设置为 500kHz。不同的跳线设置对应不同的电阻连接和开关频率，例如，将跳线设置在顶部（1 - 2 引脚短路）时，电阻连接为 0kΩ，开关频率为 250kHz。

5.2 软启动选择

使用 J4 设置软启动时间，默认设置为 1.4ms。不同的跳线设置对应不同的电阻连接和软启动时间，如将跳线设置在顶部（1 - 2 引脚短路）时，电阻连接为 39.2kΩ，软启动时间为 0.7ms。

5.3 模式选择

使用 J6 设置 MODE 引脚，默认设置为自动跳过模式。将跳线设置在顶部（1 - 2 引脚短路）为自动跳过模式，设置在第二档（3 - 4 引脚短路）为强制连续导通模式（FCCM）。

5.4 使能选择

使用 J2 启用或禁用控制器，默认设置为 J2 上的跳线短路以禁用控制器。当 J2 上无跳线短路时，控制器启用。

六、测试流程

6.1 线路和负载调节及效率测量流程

1. 按照第 4 节和图 4 - 2 的描述设置评估模块。
2. 确保负载设置为恒阻模式并吸收 0A 电流。
3. 确保所有跳线配置设置符合第 5 节的要求。
4. 在施加 (V_{IN}) 前，确保评估模块中提供的跳线在 J2 上短路。
5. 使用 V1 测量输入电压，将 (V_{IN}) 从 0V 增加到 12V。
6. 移除 J2 上的跳线以启用控制器。
7. 使用 V2 测量输出电压 (V_{OUT})。
8. 将负载从 0A 变化到 20A， (V_{OUT}) 必须保持在负载调节范围内。
9. 将 (V{IN}) 从 8V 变化到 14V， (V{OUT}) 必须保持在线路调节范围内。
10. 将跳线放回 J2 以禁用控制器。
11. 将负载减小到 0A。
12. 将 (V_{IN}) 减小到 0V。

6.2 控制环路增益和相位测量流程

TPS53353EVM - 744 在反馈环路中包含一个 10Ω 的串联电阻，用于环路响应分析。具体步骤如下：

1. 按照第 4 节和图 4 - 2 的描述设置评估模块。
2. 将隔离变压器连接到标记为 TP10 和 TP11 的测试点。
3. 将输入信号幅度测量探头（通道 A）连接到 TP10，将输出信号幅度测量探头（通道 B）连接到 TP11。
4. 将通道 A 和通道 B 的接地引线连接到 TP12。
5. 通过隔离变压器注入约 40mV 或更小的信号。
6. 使用 10Hz 或更低的后置滤波器将频率从 100Hz 扫描到 1MHz，即可测量控制环路增益和相位裕度。
7. 在进行其他测量之前，从波特图测试点断开隔离变压器，因为信号注入到反馈中可能会干扰其他测量的准确性。

6.3 测试点列表

测试点	名称	描述
TP1	(V_{IN})	控制器输入
TP2	GND	接地
TP3	GND	接地
TP4	EN	使能
TP5	(V_{OUT})	输出电压
TP6	LL	开关节点
TP7	GND	接地
TP8	PGOOD	电源正常
TP9	VREG	5V LDO 输出
TP10	CHA	环路注入输入 A
TP11	CHB	环路注入输入 B
TP12	GND	接地

6.4 设备关机

1. 关闭负载。
2. 关闭 (V_{IN})。
3. 关闭风扇。

七、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、使能开启/关闭、输出纹波、开关节点、输出瞬态响应、输出过流和短路保护、波特图以及热成像等曲线，这些曲线直观地展示了 TPS53353EVM - 744 的性能表现。

八、EVM 组装图和 PCB 布局

TPS53353EVM - 744 的印刷电路板（PCB）采用 6 层、2oz 铜设计，文档中提供了从顶层到底层的组装图和各层铜箔布局图，有助于工程师了解模块的物理结构和布线情况。

九、物料清单

文档列出了 TPS53353EVM - 744 的详细物料清单，包括电容、电感、电阻、集成电路等元件的型号和数量，为工程师进行硬件设计和维护提供了参考。

十、修订历史

从 2011 年 8 月的版本到 2021 年 11 月的版本，文档进行了一些更新，包括表格、图形和交叉引用的编号格式更新、用户指南标题更新以及内容编辑以提高清晰度。

通过上述内容，工程师可以全面了解 TPS53353EVM - 744 评估模块的使用方法和性能特点，从而更好地应用该模块进行相关的电子设计和测试工作。在实际应用中，你是否遇到过类似评估模块使用过程中的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。