TPS54231 降压转换器评估模块使用指南

一、引言

在电子设计中，电源模块的性能和设计是至关重要的。TPS54231 降压转换器评估模块（TPS54231EVM - 372）为工程师们提供了一个便捷的平台，用于评估 TPS54231 芯片的性能。本指南将详细介绍该评估模块的背景、性能规格、测试设置、结果以及电路板布局等方面的内容。

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1.1 背景

TPS54231 是一款 DC/DC 转换器，能够在 3.5V 至 28V 的输入电压下提供高达 2A 的输出电流。评估模块的输入电压范围为 7V 至 28V，输出电流范围为 0A 至 2A。其开关频率内部设定为标称 570kHz，内部集成了高端 MOSFET 和栅极驱动电路。低导通电阻的 MOSFET 有助于实现高效率，并在高输出电流时保持较低的结温。补偿组件位于集成电路外部，通过外部分压电路可实现输出电压的可调。此外，TPS54231 还提供了可调的软启动和欠压锁定输入功能。该评估模块的绝对最大输入电压为 30V。

1.2 性能规格总结

TPS54231EVM - 372 的性能规格总结如下（除非另有说明，测试条件为输入电压 (V_{IN}=15V)，输出电压 3.3V，环境温度 25°C）：	规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
(V_{IN}) 电压范围		7	15	28	V
输出电压设定点			3.3		V
输出电流范围	(V_{IN}=7V) 至 28V	0		2	A
线性调整率	(I{O}=1A)，(V{IN}=7V) 至 28V			±0.15%
负载调整率	(V{IN}=15V)，(I{O}=0A) 至 2A			±0.15%
负载瞬态响应（(I_{O}=0.5A) 至 1.5A）				电压变化 - 100mV 恢复时间 150μs
负载瞬态响应（(I_{O}=1.5A) 至 0.5A）				电压变化 100mV 恢复时间 150μs
环路带宽	(V{IN}=15V)，(I{O}=1A)		27		kHz
相位裕度	(V{IN}=15V)，(I{O}=1A)		55
输入纹波电压	(I_{O}=2A)			125	mVpp
输出纹波电压	(I_{O}=2A)			5	mVpp
输出上升时间			6		ms
工作频率			570		kHz
最大效率（(V{IN}=7V)，(I{O}=0.5A)）			92.7%

1.3 修改

该评估模块可以进行一些修改，例如改变输出电压设定点。要改变 EVM 的输出电压，需要改变电阻 (R{6}) 的值。可使用公式 (R{6}=10.2kΩ × frac{0.8V}{V{OUT}-0.8V}) 计算特定输出电压下 (R{6}) 的值。表 1 - 3 列出了一些常见输出电压对应的 (R{6}) 值，需注意 (V{IN}) 必须在一定范围内，以确保最小导通时间大于 130ns，最大占空比小于 91%。

二、测试设置与结果

2.1 输入/输出连接

TPS54231EVM - 372 配备了输入/输出连接器和测试点。需要使用能够提供 2A 电流的电源通过一对 20AWG 电线连接到 J1，负载通过一对 20AWG 电线连接到 J4，最大负载电流能力为 2A。应尽量缩短电线长度以减少电线损耗。测试点 TP1 用于监测 (V_{IN}) 输入电压，TP2 作为接地参考；TP5 用于监测输出电压，TP6 作为接地参考。

2.2 效率

该 EVM 的效率在负载电流约为 0.5A - 1A 时达到峰值，然后随着负载电流接近满载而降低。在较高环境温度下，由于内部 MOSFET 的漏源电阻随温度变化，效率可能会降低。

2.3 输出电压负载调整率

在环境温度为 25°C 时，TPS54231EVM - 372 的负载调整率表现良好。

2.4 输出电压线性调整率

线性调整率的测试结果展示了输入电压变化时输出电压的稳定性。

2.5 负载瞬态响应

TPS54231EVM - 372 对负载瞬态的响应表现出一定的特性，如在输入电压为 15V 时，电流从最大额定负载的 25% 跃变到 75% 时，输出电压的总峰 - 峰电压变化包括纹波和噪声。

2.6 环路特性

环路响应特性的增益和相位图展示了在 (V_{IN}=15V)，负载电流为 1A 时的情况。

2.7 输出电压纹波

在输出电流为额定满载 2A 且 (V_{IN}=15V) 时，直接跨接输出电容器测量得到输出电压纹波。

2.8 输入电压纹波

同样在输出电流为额定满载 2A 且 (V_{IN}=15V) 时，直接跨接输入电容器测量得到输入电压纹波。

2.9 上电

启动波形展示了 (V{IN})、EN（使能）和输出电压 (V{OUT}) 之间的关系。当 EN 电压达到 1.25V 的使能阈值电压时，启动序列开始，内部参考电压以内部设定的速率向 0.8V 斜坡上升，输出电压上升到外部设定的 3.3V。

2.10 节能模式操作

在轻负载电流下，TPS54231 设计为以脉冲跳过的节能模式运行。当峰值电感电流低于典型值 100mA 时，设备进入节能模式。

2.11 热特性

在输入电压为 28V、负载为 2A 的最坏情况下，无气流且环境温度为 25°C 时，IC 的峰值温度（85.8°C）远低于数据手册中列出的最大推荐工作温度 150°C。

三、电路板布局

3.1 布局

TPS54231EVM - 372 的电路板布局分为顶层和底层。顶层包含 (V{IN})、(V{OUT}) 和 VPHASE 的主要功率走线，以及 TPS54231 其余引脚的连接和大面积的接地区域。底层包含接地和 BOOT 电容器的信号走线。顶层和底层以及内部接地走线通过多个过孔连接，包括 TPS54231 器件正下方的十个过孔，以提供从顶层接地平面到底层接地平面的热路径。输入去耦电容器和自举电容器尽可能靠近 IC 放置，电压设定点电阻分压器组件也靠近 IC。

3.2 估计电路面积

该设计中使用的组件的估计印刷电路板面积为 (0.68in^{2})，此面积不包括测试点或连接器。

四、原理图和物料清单

4.1 原理图

提供了 TPS54231EVM - 372 的原理图，方便工程师进行电路分析和设计参考。

4.2 物料清单

详细列出了 TPS54231EVM - 372 的物料清单，包括每个组件的数量、参考编号、值、描述、尺寸、零件编号和制造商等信息。

五、修订历史

从 2008 年 8 月的版本到 2021 年 10 月的版本，主要更新了文档中表格、图形和交叉引用的编号格式以及用户指南的标题。

作为电子工程师，在使用 TPS54231 降压转换器评估模块时，你是否会根据这些性能规格和测试结果来优化你的电源设计呢？欢迎在评论区分享你的想法和经验。