TPS54302 降压转换器评估模块使用指南

在电子设计领域，电源模块的性能和稳定性至关重要。德州仪器（Texas Instruments）的 TPS54302 降压转换器评估模块 TPS54302EVM - 716 为工程师们提供了一个便捷的测试和验证平台。本文将详细介绍该评估模块的相关信息，包括背景、性能规格、测试设置与结果、电路板布局以及原理图和物料清单等内容。

文件下载：TPS54302EVM-716.pdf

一、背景与性能规格

1.1 TPS54302 简介

TPS54302 是一款直流 - 直流转换器，能够在 8V 至 28V 的输入电压源下提供高达 3A 的输出电流。为了减少电磁干扰（EMI），它引入了频率扩展频谱技术，抖动范围为开关频率的 ±6%，摆动频率为 1/512。该评估模块旨在展示使用 TPS54302 调节器设计时可实现的小印刷电路板面积。其开关频率内部设定为标称 400kHz，高侧和低侧 MOSFET 与栅极驱动电路集成在 TPS54302 封装内，低的漏源导通电阻使 TPS54302 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。补偿组件集成到集成电路（IC）中，外部分压器允许输出电压可调，此外，TPS54302 还提供可调的欠压锁定输入。TPS54302EVM - 716 的绝对最大输入电压为 30V。

1.2 性能规格总结

规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
(V_{IN}) 工作电压范围	-	8	24	28	V
(V_{IN}) 启动电压	-	-	6.74	-	V
(V_{IN}) 停止电压	-	-	5.83	-	V
输出电压设定点	-	-	5	-	V
输出电流范围	(V_{IN}) = 8V 至 28V	0	-	3	A
线性调整率	(I{O}) = 1.5A，(V{IN}) = 8V 至 28V	-	-	±0.5%	-
负载调整率	(V{IN}) = 12V，(I{O}) = 0A 至 3A	-	-	±0.5%	-
负载瞬态响应（(I_{O}) = 0.75A 至 2.25A）	-	-	-	电压变化 -150mV 恢复时间 150μs	-
负载瞬态响应（(I_{O}) = 2.25A 至 0.75A）	-	-	-	电压变化 150mV 恢复时间 150μs	-
输入纹波电压	(I_{O}) = 3A	-	-	400mVPP	-
输出纹波电压	(I_{O}) = 3A	-	-	<30mVPP	-
输出上升时间	-	-	5	-	ms
中心工作频率	-	-	400	-	kHz
最大效率	TPS54302EVM - 716，(V{IN}) = 12V，(I{O}) = 1A	-	95.57%	-	-

1.3 模块修改

1.3.1 输出电压设定点

通过改变电阻 R3 的值可以改变 EVM 的输出电压，计算公式为： [R 3=frac{R 2 × 0.596 V}{V_{OUT }-0.596 V}] 其中 R2 取值为 100kΩ。表 1 - 3 列出了一些常见输出电压对应的 R2 和 R3 值。

1.3.2 输出电容和前馈电容

为了保证环路稳定性，在不考虑前馈电容 C8 时，选择交叉频率小于 40kHz。不考虑前馈电容 C8 时交叉频率的简单估算公式为： [f{O}=frac{5.1}{V{OUT } × C{OUT }}] 当输出电容 (C{OUT}) 以低 ESR（陶瓷类型）电容为主时，可能导致低相位裕度。为了提高相位提升，可以在 R2 上并联一个外部前馈电容 C8，C8 的计算公式为： [C 8=frac{1}{2 pi f{0}} × frac{1}{R{2}}] 对于本设计，(C 8 = 75pF)。当 (C_{OUT}) 具有高 ESR 时，不需要 C8；当 ESR 为中等时，应根据公式 3 计算的结果适当减小 C8 的值。

1.3.3 可调欠压锁定（UVLO）

可以使用 R4 和 R5 外部调整欠压锁定（UVLO）。EVM 使用 (R 4 = 510kΩ) 和 (R 5 = 105kΩ) 设定启动电压为 6.74V，停止电压为 5.83V。可以使用以下公式计算不同启动和停止电压所需的电阻值： [R 4=frac{V{START }left(frac{V{ENFALLLING }}{V{ERNERINGING }}right)-V{STOP }}{I{p}left(1-frac{V{ENFALLING }}{V{ENRISING }}right)+I{h}}] [R 5=frac{R 4 × V{ENFLLING }}{V{STOP }-V{ENFALLING }+R 4left(I{p}+I{h}right)}] 其中 (I{p}=0.7μA)，(I{h}=1.55μA)，(V{ENFALLING }=1.19V)，(V_{ENRISING }=1.22V)。为了提高轻载效率，可以考虑选择较大的 R4 和 R5。

二、测试设置与结果

2.1 输入/输出连接

TPS54302EVM - 716 配备了输入/输出连接器和测试点，具体信息如下：	参考标识	功能
J1	(V{IN})（(V{IN}) 范围见 表 1 - 1）
J2	(V_{OUT})，5V，最大 3A
JP1	2 针引脚用于使能。将 EN 连接到地禁用，断开使能
TP1	(V{IN}) 连接器处的 (V{IN}) 测试点
TP2	(V_{IN}) 处的 GND 测试点
TP3	GND 测试点
TP4	SW 测试点
TP5	电压分压器网络和输出之间的测试点，用于环路响应测量
TP6	OUT 连接器处的输出电压测试点
TP7	(V_{OUT}) 连接器处的 GND 测试点

2.2 效率

该 EVM 的效率在负载电流约为 0.5A 至 1A 时达到峰值，然后随着负载电流向满载增加而降低。在环境温度为 25°C 时，效率曲线如图 2 - 1 和图 2 - 2 所示。由于内部 MOSFET 的漏源电阻随温度变化，在较高环境温度下效率可能会降低。

2.3 输出电压负载调整率

图 2 - 3 展示了 TPS54302EVM - 716 的负载调整率，测量在环境温度为 25°C 下进行。

2.4 输出电压线性调整率

图 2 - 4 展示了 TPS54302EVM - 716 的线性调整率。

2.5 负载瞬态响应

图 2 - 5 展示了 TPS54302EVM - 716 对负载瞬态的响应，电流阶跃为 24V 输入下最大额定负载的 25% 至 75%。

2.6 输出电压纹波

图 2 - 6 至图 2 - 9 展示了 TPS54302EVM - 716 在满载、跳模式、轻载和无负载操作下的输出电压纹波，(V_{IN}) = 24V。纹波电压直接在输出电容器两端测量。

2.7 输入电压纹波

图 2 - 10 展示了 TPS54302EVM - 716 的输入电压纹波，输出电流为额定满载 3A，(V_{IN}) = 24V。纹波电压直接在输入电容器两端测量。

2.8 上电

图 2 - 11 和图 2 - 12 展示了 TPS54302EVM - 716 的启动波形。在图 2 - 11 中，当输入电压达到由 R4 和 R5 电阻分压器网络设定的 UVLO 阈值时，输出电压开始上升。在图 2 - 12 中，首先施加输入电压，通过在 EN 和 GND 之间使用 3.3V 逻辑信号抑制输出。当 EN 电压达到使能阈值电压时，启动序列开始，输出电压上升到外部设定的 5V 值。

2.9 下电

图 2 - 13 和图 2 - 14 展示了 TPS54302EVM - 716 的关闭波形。在图 2 - 13 中，当输入电压低于由 R4 和 R5 电阻分压器网络设定的 UVLO 停止阈值时，输出电压开始下降。在图 2 - 14 中，通过在 EN 和 GND 之间使用 3.3V 逻辑信号抑制输出。

三、电路板布局

3.1 布局说明

图 3 - 1 和图 3 - 2 展示了 TPS54302EVM - 716 的电路板布局。EVM 的顶层布局采用典型的用户应用方式，顶层和底层均为 2oz 铜。顶层包含 (V{IN})、(V{OUT}) 和 SW 的主要电源走线，以及 TPS54302 其余引脚的连接和大面积的接地区域。为了使主输入旁路电容尽可能靠近 (V{IN}) 和 GND 引脚，SW 走线在引脚 3 连接处立即路由到底层，在 L1 电感器和 C4 自举电容处再路由回顶层。底层包含一个接地平面和一个 SW 的铜填充区域，一条蚀刻走线将电压设定点分压器的上电阻连接到 J2 输出连接器处的调节点，以及一条走线将 UVLO 设定点分压器网络的上电阻连接到 (V{IN})。顶层接地区域通过在电路板周围放置多个过孔连接到底层和内部接地平面，以提供从顶层接地区域到底层和内部接地平面的热路径。输入去耦电容（C2 和 C1）和自举电容（C4）都尽可能靠近 IC 放置，此外，电压设定点电阻分压器组件也靠近 IC 放置。根据 EVM 与输入电源的连接情况，可能需要额外的输入大容量电容。

四、原理图和物料清单

4.1 原理图

图 4 - 1 为 TPS54302EVM - 716 的原理图，展示了各个组件的连接关系。

4.2 物料清单

表 4 - 1 列出了 TPS54302EVM - 716 的物料清单，包括各个组件的设计标识、数量、值、描述、封装、参考零件编号和制造商等信息。

五、修订历史

文档从 2016 年 5 月的版本到 2021 年 10 月的版本进行了多次修订，主要包括更新表格、图形和交叉引用的编号格式，更新用户指南标题，以及在原理图中切换“BOOT”和“SW”引脚标签等。

通过对 TPS54302EVM - 716 评估模块的详细介绍，相信工程师们能够更好地了解该模块的性能和使用方法，为实际设计提供参考。在实际应用中，你是否遇到过类似电源模块的设计挑战？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。