TPS54294 降压转换器评估模块使用指南

在电子设计领域，电源管理芯片是至关重要的组件，它直接影响着整个系统的性能和稳定性。德州仪器（Texas Instruments）的 TPS54294 降压转换器评估模块（TPS54294EVM）就是一款备受关注的产品。今天，我们就来详细了解一下这款评估模块。

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1. 产品概述

TPS54294 是一款双路、自适应导通时间、D - CAP2™ 模式的同步降压转换器，具有低外部组件数量的特点。其 D - CAP2™ 控制电路针对低 ESR 输出电容（如 POSCAP、SP - CAP 或陶瓷类型）进行了优化，具备快速瞬态响应且无需外部补偿。内部设定的开关频率标称值为 700 kHz，并且在 TPS54294 封装内集成了高端和低端开关 MOSFET 以及栅极驱动电路。MOSFET 的低漏源导通电阻使得 TPS54294 能够实现高效率，并有助于在高输出电流时保持较低的结温。此外，它还具备自动跳过 Eco - mode 操作，可提高轻载效率。

TPS54294 双路 DC/DC 同步转换器设计用于从 4.5 V 至 18 V 的输入电压源提供高达 2×2 A 的输出，输出电压范围为 0.76 V 至 7 V。TPS54294EVM 评估模块则是一款双路同步降压转换器，能从 4.5 V 至 18 V 的输入提供 1.2 V 和 3.3 V、2 A 的输出。

2. 性能规格总结

TPS54294EVM 的性能规格总结如下表所示，除非另有说明，测试条件为输入电压 (V_{INx}=12V)，输出电压为 1.2 V 和 3.3 V，环境温度为 25°C。

规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压范围 ((V_{INx}))	-	4.5	12	18	V
输出电压 (V_{OUT1})	-	-	1.2	-	V
输出电压 (V_{OUT2})	-	-	3.3	-	V
工作频率	(V{INx}=12V)，(I{OUTx}=1A)	-	700	-	kHz
输出电流范围	-	0	-	2	A
线路调整率 (V_{OUT1})	(I{OUTx}=1A)，(V{INx}=4.5V) 至 18 V	0.040	-	-	%/V
线路调整率 (V_{OUT2})	(I{OUTx}=1A)，(V{INx}=5V) 至 18 V	0.049	-	-	%/V
负载调整率 (V_{OUT1})	(V{INx}=12V)，(I{OUTx}=0A) 至 2 A	0.375	-	-	%/A
负载调整率 (V_{OUT2})	(V{INx}=12V)，(I{OUTx}=0A) 至 2 A	0.167	-	-	%/A
过流限制 (V_{OUTx})	(V_{INx}=12V)，(Lx = 2.2µH)	-	-	4	A
输出纹波电压 (V_{OUTx})	(V{INx}=12V)，(I{OUTx}=2A)	-	-	15	mVPP
最大效率 (V_{OUT1})	(V{INx}=5V)，(I{OUTx}=0.4A)	-	88.1	-	%
最大效率 (V_{OUT2})	(V{INx}=5V)，(I{OUTx}=0.3A)	-	95.1	-	%

从这些数据中，我们可以看出 TPS54294EVM 在输入电压范围、输出电流范围以及效率等方面都有不错的表现。大家在实际设计中，可以根据这些参数来判断该模块是否满足自己的需求。

3. 模块修改

3.1 输出电压设定点

若要更改 EVM 的输出电压，需要改变反馈分压器的上拉电阻 R1 或 R3 的值。可参考图 5 - 1 中的顶层组件来定位靠近输出连接器的电阻。改变 R1 或 R3 的值可以将输出电压调整到 0.765 V 以上，特定输出电压下 R1 或 R3 的值可使用公式 (V{OUT 1}=0.765 V timesleft(1+frac{R 1}{R 2}right) ; V{OUT 2}=0.765 V timesleft(1+frac{R 3}{R 4}right)) 计算。

表 3 - 1 列出了一些常见输出电压对应的 R1 或 R3 值。对于 1.8 V 及以上的输出电压，可能需要一个前馈电容（C21 或 C20）来改善相位裕度，印刷电路板上提供了该组件的焊盘。需要注意的是，表 3 - 1 中给出的电阻值是标准值，并非使用上述公式精确计算的值。

3.2 输出滤波器和闭环响应

TPS54294 依赖输出滤波器特性来确保控制环路的稳定性。表 3 - 1 给出了常见输出电压推荐的输出滤波器组件。其他输出滤波器组件值也可能提供可接受的闭环特性。R11 和 R12 方便用于断开控制环路并测量闭环响应。

4. 测试设置与结果

4.1 输入/输出连接

TPS54294EVM 配备了输入/输出连接器和测试点，具体信息如下表所示。必须通过一对 20 AWG 电线将能够提供 4 A 电流的电源连接到 J1，负载必须通过一对 20 AWG 电线连接到 J3 和/或 J2，最大负载电流能力为 2×2 A。为减少电线中的损耗，应尽量缩短电线长度。测试点 TP1 用于监测输入电压 ((V_{IN}))，TP7 提供方便的接地参考；TP4 和 TP3 用于监测输出电压，TP5 和 TP6 作为接地参考。

参考标号	功能
J1	(V{IN})（(V{IN}) 范围见表 1 - 1）
J2	(V_{OUT2})，最大 3.3 V、2 A
J3	(V_{OUT1})，最大 1.2 V、2 A
J4	EN1 控制。将 EN1 连接到 off 禁用转换器 1；连接到 on 启用转换器 1
J5	EN2 控制。将 EN2 连接到 off 禁用转换器 2；连接到 on 启用转换器 2
JP1	跳线，可为转换器 2 使用另一个输入电压
TP1	(V{IN}) 连接器处的 (V{IN}) 测试点
TP2	JP1 后的 (V_{IN2}) 测试点
TP3	转换器 2 的输出电压测试点
TP4	转换器 1 的输出电压测试点
TP5、TP6、TP7	输入和输出连接器处的接地测试点
TP8	EN2 测试点
TP9	EN1 测试点
TP10	转换器 1 的开关节点测试点
TP11	转换器 2 的开关节点测试点
TP12	(V_{REG5}) 测试点
TP13	PG1 测试点
TP14	PG2 测试点
TP15	模拟接地测试点

4.2 启动程序

启动步骤如下：

1. 确保 J4 和/或 J5（启用控制）处的跳线设置为从 ENx 到 off。
2. 将适当的 (V{IN}) 电压施加到 J1 处的 (V{IN}) 和 PGND 端子。
3. 将 J4 和/或 J5（启用控制）处的跳线移动到覆盖 ENx 和 on，EVM 将启用相应的输出电压。

4.3 效率

在 25°C 的环境温度下，转换器 1 和转换器 2 的效率曲线分别如图 4 - 1 和图 4 - 2 所示。从曲线中我们可以直观地看到不同输入电压和输出电流下的效率情况。这对于评估模块在不同工作条件下的能耗表现非常有帮助。大家在实际应用中，可以根据负载电流的大小来选择合适的输入电压，以达到较高的效率。

4.4 负载调整率

转换器 1 和转换器 2 的负载调整率分别如图 4 - 3 和图 4 - 4 所示。转换器 1 的负载调整率独立于转换器 2 的负载，而转换器 2 在 5V 输入电压时，其输出电压对转换器 1 的负载有一定的依赖性。通过这些曲线，我们可以了解到输出电压随负载电流变化的情况，从而在设计电路时更好地进行负载匹配。

4.5 线路调整率

转换器 1 和转换器 2 的线路调整率分别如图 4 - 5 和图 4 - 6 所示。转换器 1 在整个线路和负载范围内的精度在 1% 以内，转换器 2 在输入电压高于 7V 时，输出电压精度在 1% 以内，低于 7V 时仍在 5% 以内。这表明该模块在不同输入电压下对输出电压的稳定控制能力较强。

4.6 负载瞬态响应

转换器 1 和转换器 2 对负载瞬态的响应分别如图 4 - 7 和图 4 - 8 所示。通过观察这些响应曲线，我们可以评估模块在负载突然变化时的动态性能，确保系统在实际应用中能够稳定运行。

4.7 输出电压纹波

转换器 1 和转换器 2 在不同工作状态下的输出电压纹波情况分别如图 4 - 9 至图 4 - 14 所示。包括额定满载、Eco - mode 启动时以及无负载时的纹波情况。输出电压纹波是衡量电源质量的重要指标之一，较小的纹波可以保证系统的稳定性和可靠性。

4.8 输入电压纹波

TPS54294EVM 的输入电压纹波如图 4 - 15 所示，输出电流为额定满载电流 2 A。输入电压纹波的大小会影响模块的性能，通过观察纹波情况，可以采取相应的措施来降低纹波，提高系统的稳定性。

4.9 启动和关闭

转换器 1 和转换器 2 相对于 (V_{IN}) 和 ENx 的启动和关闭波形分别如图 4 - 16 至图 4 - 23 所示。了解这些波形有助于我们掌握模块在启动和关闭过程中的特性，避免出现异常情况。

5. 电路板布局

5.1 布局

TPS54294EVM 的电路板布局如图 5 - 1 至图 5 - 6 所示。顶层包含 (V{IN}) 和 (V{OUTx}) 的主要电源走线，同时还有 TPS54294 引脚的连接以及大面积的接地区域。许多信号走线也位于顶层，输入去耦电容尽可能靠近 IC 放置。输入和输出连接器、测试点以及所有组装组件都位于顶层，顶层还提供了一个模拟接地（GND）区域，模拟接地（GND）和电源接地（PGND）在顶层靠近 IC 的单点连接。其他层主要是电源接地，但底层有一些走线用于连接 SSx 和 ENx 的测试点。合理的电路板布局对于模块的性能和稳定性至关重要，大家在设计过程中要充分考虑这些因素。

6. 原理图、物料清单和参考资料

6.1 原理图

图 6 - 1 是 TPS54294EVM 的原理图，通过原理图我们可以清晰地了解模块的电路结构和信号流向，为进一步的电路分析和设计提供依据。

6.2 物料清单

物料清单（BOM）如下表所示，详细列出了模块中各个组件的信息，包括数量、参考标号、值、描述、尺寸、零件编号和制造商等。当需要对模块进行维修或改进时，物料清单可以帮助我们准确地找到所需的组件。

数量	参考标号	值	描述	尺寸	零件编号	制造商
1	C11	1 μF	陶瓷电容，16 V，X7R，10%	0603	GRM188R71C105KA12	Murata
4	C1 - 2、C4 - 5	10 μF	陶瓷电容，25 V，X7R，10%	1206	GRM31CR71E106KA12	Murata
0	C12 - 13	open	陶瓷电容，50 V，X7R，10%	0603	GRM188R71H104KA93	Murata
4	C14 - 17	22 μF	陶瓷电容，6.3 V，X7R，10%	1206	GRM31CR70J226KE19	Murata
0	C18 - 19	open	陶瓷电容，6.3 V，X7R，10%	1206	-	-
0	C20 - 21	open	陶瓷电容，50 V，X7R，10%	0603	Std	Std
4	C3、C6 - 8	0.1 μF	陶瓷电容，50 V，X7R，10%	00603	GRM188R71H104KA93	Murata
2	C9 - 10	10 nF	陶瓷电容，50 V，X7R，10%	0603	Std	Std
0	D1 - 2	open	肖特基二极管，SMA	-	STD	STD
1	L1	2.2 μH	电源线电感器，磁屏蔽，±30%，4.3 A	6.9 × 7.2 mm	CLF7045T - 2R2N	TDK
1	L2	3.3 μH	电源线电感器，磁屏蔽，±30%，4.1 A	6.9 × 7.2 mm	CLF7045T - 3R3N	TDK
1	R1	12.7 k	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
2	R11 - 12	0	贴片电阻，1/16W，5%	0603	STD	STD
2	R13 - 14	10.0 k	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
2	R2、R4	22.1 k	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
1	R3	73.2 k	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
2	R5 - 6	0	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
0	R7 - 8	100 k	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
0	R9 - 10	open	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
1	U1	TPS54294PWP	IC，2 - A/2 - A，双输出全同步降压转换器，集成 FET	TSSOP	TPS54294PWP	TI

需要注意的是，当输出电压设置高于 4 V 时，C14 - C19 必须更换为具有更高电压额定值的电容。

6.3 参考资料

参考资料为德州仪器的 TPS54294 数据手册，其中包含了 2 - A 双通道同步降压开关器（集成 FET）的详细信息，大家在设计过程中可以参考该手册获取更多技术细节。

综上所述，TPS54294EVM 评估模块是一款功能强大、性能稳定的电源管理模块。通过对其性能规格、测试结果、电路板布局等方面的了解，我们可以更好地将其应用到实际的电子设计中。大家在使用过程中，有没有遇到过什么问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。