TPS54386EVM降压转换器评估模块深度解析

在电子设计领域，降压转换器是电源管理中不可或缺的一部分。今天我们要深入探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的TPS54386EVM降压转换器评估模块，它为我们提供了一个便捷的平台来评估TPS54386双非同步降压转换器的性能。

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一、模块概述

1.1 模块描述

TPS54386EVM评估模块是一个双非同步降压转换器，它能从12V输入总线提供固定的5.0V和3.3V输出，每个输出的负载电流最高可达2A。该模块设计为从单一电源启动，无需额外的偏置电压。它使用了集成高端FET的TPS54386双非同步降压转换器，旨在展示TPS54386在典型12V总线系统中的性能，并提供了多个测试点，方便评估其在特定应用中的表现。此外，通过更改一些组件，该EVM还可以修改为其他输入或输出电压。

1.2 应用领域

该模块适用于非隔离低电流负载点和电压总线转换器，常见于消费电子、LCD电视、计算机外设、数字机顶盒等领域。

1.3 模块特性

• 输入范围：12V（±10% / -20%）。
• 输出电压：固定5.0V和3.3V，可通过改变电阻进行调整。
• 输出电流：稳态输出电流2A（峰值3A）。
• 开关频率：600kHz（由TPS54386固定）。
• 内部结构：内部有开关MOSFET和外部整流二极管，采用双面2有源层PCB，所有组件都在顶部，测试点信号在内部层布线。
• 有源转换区域：小于1.8平方英寸（0.89” x 1.97”）。
• 测试点：方便探测开关波形和进行非侵入式环路响应测试。

二、电气性能规格

参数	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压（VIN）	9.6	12	13.2	V
输入电流（IIN，VIN = 标称值，IOUT = 最大值）	1.6	2.0	-	A
无负载输入电流（VIN = 标称值，IOUT = 0A）	12	20	-	mA
输入欠压锁定（VIN_UVLO，IOUT = 最小值到最大值）	4.0	4.2	4.4	V
输出电压1（VOUT1，VIN = 标称值，IOUT = 标称值）	4.85	5.0	5.15	V
输出电压2（VOUT2，VIN = 标称值，IOUT = 标称值）	3.20	3.3	3.40	V
线路调节（VIN = 最小值到最大值）	-	-	1%	-
负载调节（IOUT = 最小值到最大值）	-	-	1%	-
输出电压纹波（VOUT_ripple，VIN = 标称值，IOUT = 最大值）	-	-	30	mVpp
输出电流1（IOUT1，VIN = 最小值到最大值）	0	2.0	-	A
输出电流2（IOUT2，VIN = 最小值到最大值）	0	2.0	-	A
输出过流通道1（IOCP1，VIN = 标称值，VOUT = VOUT1 - 5%）	3.1	3.7	4.5	A
输出过流通道2（IOCP2，VIN = 标称值，VOUT = VOUT2 - 5%）	3.1	3.7	4.5	A
开关频率（FSW）	510	630	750	kHz
峰值效率（ηpk，VIN = 标称值）	-	90%	-	-
满载效率（η，VIN = 标称值，IOUT = 最大值）	-	85%	-	-
最高工作温度范围（VIN = 最小值到最大值，IOUT = 最小值到最大值）	0	25	60	°C

这些电气性能规格为我们在设计和使用该模块时提供了重要的参考依据，大家在实际应用中可以根据这些参数来评估模块是否满足自己的需求。

三、模块原理图及相关设置

3.1 测序跳线（JP3）

TPS54386EVM提供了一个3针、100密耳的插头和分流器，用于对TPS54386的测序功能进行编程。将JP3分流器置于左侧位置，可将序列引脚连接到BP，并在启用Enable 2时，使TPS54386控制器先对通道2进行测序；置于右侧位置，可将序列引脚连接到GND，并在启用Enable 1时，使转换器先对通道1进行测序；移除JP3分流器则可禁用测序功能，允许通道1和通道2独立启用。

3.2 启用跳线（JP1和JP2）

该模块提供了单独的3针、100密耳插头和分流器，用于实现TPS54386的启用功能。当移除JP3时，将JP1分流器置于左侧位置可将EN1连接到地，开启输出1；将JP2分流器置于左侧位置可将EN2连接到地，开启输出2。当JP3分流器在左侧位置时，将JP2分流器置于左侧位置，先开启输出2，再开启输出1；当JP3分流器在右侧位置时，将JP1分流器置于左侧位置，先开启输出1，再开启输出2。

3.3 测试点描述

模块上有多个测试点，用于监测不同的参数，具体如下：	测试点标签	用途
TP1	监测输入电压
TP2	输入电压的接地端
TP3	监测VOUT1电压
TP4	VOUT1电压的接地端
TP5	通道B环路监测的接地端
TP6	通道B环路监测
TP7	通道A环路监测的接地端
TP8	通道A环路监测
TP9	监测通道1的开关节点
TP10	通道1开关节点的接地端
TP11	监测设备接地
TP12	监测通道2的开关节点
TP13	通道2开关节点的接地端
TP14	通道A环路监测
TP15	通道A环路监测的接地端
TP16	通道B环路监测
TP17	通道B环路监测的接地端
TP18	监测VOUT2电压
TP19	VOUT2电压的接地端

这些测试点为我们进行各种参数的测量和分析提供了便利，工程师们可以根据需要选择合适的测试点进行操作。

四、测试设置

4.1 所需设备

• 电压源：输入电压源（VIN）应为0 - 15V的可变直流源，能够提供5A的直流电。
• 仪表：包括0 - 3A的电流表（A1）、0 - 15V的电压表（V1）、0 - 6V的电压表（V2）和0 - 4V的电压表（V3）。
• 负载：输出1负载（LOAD1）应为能够在5.0V下提供0 - 2A直流电的电子恒流模式负载；输出2负载（LOAD2）应为能够在3.3V下提供0 - 2A直流电的电子恒流模式负载。
• 示波器：可使用数字或模拟示波器来测量VOUT上的纹波电压，示波器应设置为1MΩ阻抗、20MHz带宽、交流耦合、1μs/格的水平分辨率和10mV/格的垂直分辨率。
• 推荐线规：VIN到J1的连接，最小推荐线径为AWG #16，总长度小于4英尺；J2到LOAD1的连接，最小推荐线径为AWG #18，总长度小于2英尺；J3到LOAD2的连接，最小推荐线径为AWG #18，总长度小于2英尺。
• 其他：由于该评估模块的一些组件可能会发热，建议使用一个能够提供200 - 400 lfm的小风扇，以降低组件表面温度，防止用户受伤。

4.2 设备设置步骤

1. 在静电放电（ESD）工作站工作，确保在给EVM供电之前，将任何腕带、靴带或垫子连接到接地端，同时应佩戴静电服和安全眼镜。
2. 在连接直流输入源VIN之前，建议将源电流限制在最大5.0A，并确保VIN初始设置为0V，然后按照图4 - 1进行连接。
3. 将电流表A1（0 - 5A范围）连接在VIN和J1之间。
4. 将电压表V1连接到TP1和TP2。
5. 将LOAD1连接到J2，并在施加VIN之前将LOAD1设置为恒流模式，使其吸收0A电流。
6. 将电压表V2连接在TP3和TP4之间。
7. 将LOAD2连接到J3，并在施加VIN之前将LOAD2设置为恒流模式，使其吸收0A电流。
8. 将电压表V3连接在TP18和TP19之间。
9. 放置风扇并开启，确保空气流过EVM。

4.3 启动/关闭程序

1. 将VIN从0V增加到12VDC。
2. 将LOAD1的电流从0A变化到2ADC。
3. 将LOAD2的电流从0A变化到2ADC。
4. 将VIN从9.6VDC变化到13.2VDC。
5. 将VIN降低到0VDC。
6. 将LOAD1的电流降低到0A。

4.4 输出纹波电压测量程序

1. 将VIN从0V增加到12VDC。
2. 将LOAD1调整到0A到2A之间的所需负载。
3. 将VIN调整到9.6VDC到13.2VDC之间的所需负载。
4. 将示波器探头连接到TP3和TP4或TP18和TP19。
5. 测量输出纹波。
6. 将VIN降低到0VDC。
7. 将LOAD1的电流降低到0A。

4.5 控制环路增益和相位测量程序

1. 将1kHz到1MHz的隔离变压器连接到TP6和TP8。
2. 将输入信号幅度测量探头（通道A）连接到TP8。
3. 将输出信号幅度测量探头（通道B）连接到TP6。
4. 将通道A和通道B的接地引线连接到TP5和TP7。
5. 通过隔离变压器在R1上注入30mV或更小的信号。
6. 以10Hz或更低的后置滤波器将频率从1kHz扫描到1MHz。
7. 控制环路增益可通过公式 (20 × LOGleft(frac{ ChannelB }{ ChannelA }right)) 测量。
8. 控制环路相位通过通道A和通道B之间的相位差测量。
9. 对于通道2的控制环路测量，需进行以下替换：将TP6改为TP16，TP8改为TP14，TP5改为TP17，TP7改为TP15。
10. 在进行其他测量之前，断开隔离变压器，因为注入反馈的信号可能会干扰其他测量的准确性。

4.6 设备关闭

1. 关闭示波器。
2. 关闭VIN。
3. 关闭LOAD1。
4. 关闭风扇。

五、典型性能数据和特性曲线

5.1 效率

效率曲线展示了不同输入电压下，输出电压为5.0V和3.3V时，效率随负载电流的变化情况。从曲线中可以看出，在不同的输入电压和负载电流下，模块的效率有所不同。大家可以思考一下，如何根据这些效率曲线来优化电源的设计，以提高系统的整体效率呢？

5.2 线路和负载调节

输出电压随负载电流的变化曲线显示了在不同输入电压下，输出电压的稳定性。通过这些曲线，我们可以评估模块在不同负载条件下的电压调节能力。

5.3 输出电压纹波

输出电压纹波曲线展示了在特定输入电压和负载电流下，输出电压的纹波情况。这对于对电源纹波要求较高的应用来说非常重要，工程师们可以根据这个曲线来判断该模块是否满足应用的需求。

5.4 开关节点

开关节点的波形展示了通道1和通道2的开关波形，通过观察这些波形，我们可以了解模块的开关特性。

5.5 控制环路波特图

控制环路波特图展示了在低输入电压（VIN = 8V）下，输出电压为3.3V和5.0V时，增益和相位随频率的变化情况。这对于分析模块的控制环路稳定性非常有帮助。

六、EVM组装图纸和布局

TPS54386EVM采用4层、2盎司覆铜电路板，尺寸为3.0” x 3.0”，所有组件位于顶部1.15” x 2.15”的有源区域，有源走线分布在顶部和底部层，方便用户查看、探测和评估TPS54386控制设备。对于空间受限的系统，将组件移到PCB两侧或使用额外的内部层可以进一步减小尺寸。

七、材料清单

材料清单详细列出了模块所使用的各种组件，包括电容、电感、电阻、二极管、测试点和芯片等，以及它们的型号和制造商。这对于我们进行模块的维修和替换组件非常有帮助。

总之，TPS54386EVM评估模块为我们提供了一个全面的平台来评估TPS54386双非同步降压转换器的性能。通过对其电气性能、原理图、测试设置、性能曲线等方面的了解，我们可以更好地将其应用到实际的电子设计中。大家在使用过程中如果遇到问题，欢迎在评论区留言讨论。