TPS54160EVM - 230评估模块：设计与性能解析

在电子设计领域，评估模块对于工程师来说是验证和开发新电路的重要工具。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（TI）的TPS54160EVM - 230评估模块，看看它在DC/DC转换设计中能为我们带来哪些便利和优势。

文件下载：TPS54160EVM-230.pdf

一、模块概述

TPS54160EVM - 230评估模块主要用于帮助设计师评估TPS54160 DC/DC转换器的运行和性能。该转换器是一款宽输入电压（3.5 - 60V）、2.5MHz、非同步、外部补偿的降压转换器，能够提供高达1.5A的输出电流。

1.1 背景

此评估模块提供了两个基于TPS54160的独立DC/DC转换器：

• 顶部转换器：设计用于在标称42VDC ±25%的输入电压源下工作，该输入电压范围通常来自整流24VAC电源。它能提供5.0V的输出电压和高达1.5A的输出电流，并且通过使用0402组件，实现了较小的解决方案尺寸。
• 底部转换器：可在6.0V至60V的输入电压下工作，能提供3.3V的输出电压和高达1.5A的输出电流。该转换器还提供了额外的组件占位，方便设计师实现各种TPS54160解决方案。

二、连接器说明

了解评估模块上的跳线和连接器对于正确连接、设置和使用TPS54160EVM - 230至关重要。

2.1 输入/输出连接器描述

• 顶部转换器：
  • J1（VIN Top Converter）：顶部转换器的正输入电源电压，为减少EMI传输，输入电源引线应绞合并尽量缩短。若电源引线超过6英寸，需在J1和J2之间添加额外的大容量电容。
  • J2（GND Top Converter）：顶部转换器输入电源的返回连接。
  • J3（VOUT Top Converter）：顶部转换器输出的正连接，应连接到负载的正输入。
  • J4（VOUT Top Converter）：顶部转换器输出的返回连接。
  • J12（PG Top Converter）：与顶部转换器的PWRGD输出引脚相连，R4为PG引脚的上拉电阻，连接到输出电压。PWRGD引脚的最大电压为6V，若转换器输出电压高于6.0V，需移除R4以避免损坏TPS54160。
• 底部转换器：
  • J5（VIN Bottom Converter）：底部转换器的正输入电源电压，同样需注意缩短引线并在必要时添加电容。
  • J6（GND Bottom Converter）：底部转换器输入电源的返回连接。
  • J7（ENABLE Bottom Converter）：通过短接或断开引脚1和2来启用或禁用底部转换器。
  • J8（TRACK Bottom Converter）：功能与J7类似，用于控制底部转换器。
  • J9（CLK Bottom Converter）：与底部转换器的RT/CLK引脚相连。
  • J10（VOUT Bottom Converter）：底部转换器输出的正连接，连接到负载正输入。
  • J11（GND）：底部转换器输出的返回连接。
  • J13（PG Bottom Converter）：与底部转换器的PWRGD引脚相连，R12为上拉电阻，输出电压高于6.0V时需移除。

三、性能规格

3.1 顶部转换器规格

规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
VIN输入电压范围		31.5	42	52.5	V
输出电压			5.0		V
输出电流范围		0		1.5	A
负载调节率	Vin = 42 V		0.13		%/A
负载瞬态响应	电压变化		225		mV
	恢复时间	1.0			ms
环路带宽			29.8		kHz
相位裕度			43		°
输出电压纹波	Vin = 42 V, Iout = 1.5 A		10		mVpp
工作频率		750			kHz
最大效率	Vin = 42 V, Iout = 800 mA		81.5%
转换器启用电压	Vin上升, Io = 1 A		25.8		V
转换器禁用电压	Vin下降, Io = 1 A		25.5		V
输出上升时间		32			ms

需要注意的是，顶部转换器为实现小尺寸设计，大部分组件采用0402尺寸，这使得对其进行修改较为困难。若需要评估电路修改，建议使用底部转换器。

3.2 底部转换器规格

规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
VIN输入电压范围		6		60	V
输出电压			3.3		V
输出电流范围		0		1.5	A
线性调节率	Iout = 1.5 A, Vin = 6 V to 60 V			0.1	%/V
负载调节率		0.11			%/A
负载瞬态响应	电压变化	120 mV
	恢复时间	2.0			ms
环路带宽		18.5			kHz
相位裕度		72			°
输出电压纹波		40			mVpp
工作频率		415			kHz
最大效率	Vin = 5 V, Iout = 200 mA		94.60%
输出上升时间		32			ms

底部转换器具有一些便于评估自定义设计的特性，例如许多控制信号被路由到外部连接器，方便访问；使用0603或更大尺寸的组件以及多个组件占位，便于焊接和组装自定义设计。

3.2.1 底部转换器的修改

• 输出电压设置：要改变评估模块的输出电压，需要改变电阻R14的值，可使用公式(R14 = R15 times (frac{Vout}{0.8} - 1))计算。若输出电压改变，转换器需要重新补偿。
• 外部时钟同步：评估模块支持连接外部振荡器，使TPS54160同步。需安装零欧姆电阻R17和10pF电容C18。
• 可编程欠压锁定和启用：TPS54160的欠压锁定（UVLO）和启用电压可通过R8和R9编程设置，具体电阻值可参考TPS54160数据手册。还可安装电容C19在EN引脚上添加延迟或噪声滤波。

四、测试结果

文档中提供了该评估模块的典型性能波形，包括顶部和底部转换器的效率、瞬态响应、输出和输入电压纹波、启动特性以及环路响应等。通过这些波形，工程师可以直观地了解转换器在不同条件下的性能表现。

五、电路板布局

电路板布局对于高频开关模式电源至关重要。TPS54160EVM - 230的电路板采用2 - oz.铜的顶层和底层，以及1 - oz.铜的内层。顶层主要用于路由输入和输出电压的高电流迹线，一些对噪声敏感的迹线（如反馈迹线）被路由到底层，由底层的大接地平面屏蔽。两个内层虽无迹线，但可为IC提供额外的散热。

在布局时，应尽量缩短具有高开关频率和电流的节点，以减少迹线电感。同时，要注意高频电流环路的路由，并采用单点接地方案。具体布局指南可参考数据手册。

六、原理图和物料清单

6.1 原理图

评估模块的原理图展示了整个电路的连接和设计，为工程师提供了详细的电路信息。

6.2 物料清单

分别列出了顶部转换器和底部转换器的物料清单，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，方便工程师进行采购和组装。

七、重要注意事项

在使用TPS54160EVM - 230评估模块时，需要注意以下几点：

• 该评估模块仅用于工程开发、演示或评估目的，并非适合一般消费者使用的成品。
• 操作时应确保输入电压在3.5 V至60 V之间，输出电压在0.8 V至60 V之间，超出范围可能导致意外操作或对模块造成不可逆损坏。
• 正常运行时，部分电路组件的外壳温度可能超过85°C，操作时需注意避免烫伤。
• 该评估模块未经过FCC规则第15部分的测试，在其他环境中操作可能会对无线电通信造成干扰，用户需自行采取措施解决。

总的来说，TPS54160EVM - 230评估模块为工程师提供了一个方便的平台，用于评估TPS54160 DC/DC转换器的性能和功能。通过合理使用该模块，工程师可以更好地设计和优化DC/DC转换电路。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。