TPS54521 降压转换器评估模块使用指南

一、引言

1.1 背景

TPS54521 是一款 DC/DC 转换器，能够提供高达 5A 的输出电流。它采用了分离式输入电源轨设计，功率级和控制电路分别有独立的输入电压。功率级输入（PVIN）额定电压范围为 1.6V 至 17V，控制输入（VIN）额定电压范围为 4.5V 至 17V。TPS54521EVM - 607 评估模块为这两个输入都提供了接口，但在设计和测试时，通常将 PVIN 连接到 VIN。该评估模块的额定输入电压范围是 8V 至 17V（VIN 启动电压为 6.806V），输出电流范围是 0A 至 5A。其开关频率外部设定为标称 480kHz，高侧和低侧 MOSFET 以及栅极驱动电路都集成在 TPS54521 封装内，补偿组件在集成电路（IC）外部，通过外部分压器可实现输出电压可调。此外，TPS54521 还具备可调慢启动、跟踪和欠压锁定输入功能，TPS54521EVM - 607 的绝对最大输入电压为 20V。

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1.2 性能规格总结

在输入电压为 12V、输出电压为 3.3V 的条件下（除非另有说明），TPS54521EVM - 607 的性能规格如下：	规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
VIN 电压范围（PVIN = VIN）		8	12	17	V
VIN 启动电压		6.806			V
VIN 停止电压		4.824			V
输出电压设定点			3.3		V
输出电流范围	VIN = 8V 至 17V	0		5	A
线性调整率	l0 = 5A，VIN = 8V 至 17V			±0.04%
负载调整率	VIN = 12V，l0 = 0A 至 5A			±0.05%
负载瞬态响应	l0 = 2A 至 4A l0 = 4A 至 2A	电压变化 125mV 电压变化 6mV		恢复时间 150μs 恢复时间 6μs	mV mV μs μs
环路带宽	VIN = 12V，lo = 5A		42		kHz
相位裕度	VIN = 12V，lo = 5A		62
输入纹波电压	VIN = 12V，l0 = 5A			500	mVpp
输出纹波电压	VIN = 12V，l0 = 5A			75	mVpp
输出上升时间			3.5		ms
工作频率			480		kHz
最大效率	TPS54521EVM - 607，VIN = 8V，lo = 1.1A		94.5%

1.3 修改

1.3.1 输出电压设定点

输出电压由 R8 和 R9 组成的电阻分压器网络设定，其中 R9 固定为 10kΩ。若要改变评估模块的输出电压，需改变电阻 R8 的值。通过公式 (R 8=frac{10 k Omegaleft(V{OUT } - 0.8 Vright)}{0.8 V}) 可计算出特定输出电压对应的 R8 值。表 1 - 3 列出了一些常见输出电压对应的 R8 值。需要注意的是，(V{IN}) 必须在一定范围内，以确保最小导通时间大于 135ns，最大占空比小于 95%。此外，不同的输出电压可能需要不同的频率补偿，这就需要改变 R4、C4、C6 和 C11 的值。	R8 值（kΩ）	输出电压（V）
12.4	1.8
21.5	2.5
31.6	3.3
52.3	5

1.3.2 慢启动时间

慢启动时间可通过改变 C7 的值进行调整，使用公式 (C 7(nF)=frac{Tss(m s) × Iss(mu A)}{Vref(V)}) 可计算出所需的 C7 值。评估模块默认使用 C7 = 0.01μF 实现 3.5ms 的慢启动时间。

1.3.3 跟踪输入

TPS54521 在启动时可以跟踪外部电压，J5 连接器用于连接该外部电压。通过电阻分压器 R5 和 R6 可实现比例或同步跟踪，具体细节可参考 TPS54521 的数据手册。

1.3.4 可调欠压锁定（UVLO）

欠压锁定（UVLO）可通过 R1 和 R2 进行外部调整。评估模块使用 (R 1 = 511 k Omega) 和 (R 2 = 100 k Omega) 将启动电压设定为 6.806V，停止电压设定为 4.824V。使用公式 (R 1=frac{V{START }left(frac{V{ENFALLING }}{V{ENRISHING }}right)-V{STOP }}{I{p}left(1-frac{V{ENFALING }}{V{ENRISING }}right)+I{h}}) 和 (R 2=frac{R 1 × V{E N F A L L I B G}}{V{S T O P}-V{E N F A L L I N G}+R 1left(I{p}+I_{h}right)}) 可计算出不同启动和停止电压所需的电阻值。

1.3.5 输入电压轨

评估模块设计为可适应功率级和控制逻辑的不同输入电压水平。正常工作时，通过 JP1 跳线将 PVIN 和 VIN 输入连接在一起，单个输入电压通过 J1 提供。若需要，可移除 JP1 上的跳线，将这两个输入电压轨分开，此时需通过 J1 和 J2 分别提供两个输入电压。若需要，可使用 C1 为 PVIN 输入添加额外的输入电容。

二、测试设置与结果

2.1 输入/输出连接

TPS54521EVM - 607 配备了输入/输出连接器和测试点，具体如下表所示：	功能	参考标识	描述
J1	PVIN 输入电压连接器。参考表 1 - 1 确定 VIN 范围。
J2	VIN 输入电压连接器。通常不使用
J3	VOUT，3.3V，最大 5A
J4	2 针接头，用于跟踪输出和接地
J5	2 针接头，用于跟踪电压输入和接地
JP1	PVIN 到 VIN 跳线。通常闭合，将 VIN 连接到 PVIN 以实现共轨电压操作
JP2	2 针接头，用于使能。将 EN 连接到地以禁用，断开以启用
TP1	PVIN 连接器处的测试点
TP2	PVIN 连接器处的接地测试点
TP3	VIN 连接器处的测试点
TP4	VIN 连接器处的接地测试点
TP5	PH 测试点
TP6	慢启动/跟踪输入测试点
TP7	电压分压器网络和输出之间的测试点。用于环路响应测量
TP8	VOUT 连接器处的输出电压测试点
TP9	VOUT 连接器处的接地测试点
TP10	PWRGD 测试点

连接时，需使用能够提供 3A 电流的电源通过一对 20AWG 电线连接到 J1，并且 JP1 上的跳线必须就位。负载需通过一对 20AWG 电线连接到 J3，最大负载电流能力为 5A。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 (VIN) 输入电压，TP2 提供方便的接地参考；TP8 用于监测输出电压，TP9 为接地参考。

2.2 效率

该评估模块的效率在负载电流约为 1.1A 时达到峰值，随后随着负载电流接近满载而降低。图 2 - 1 展示了在环境温度为 25°C 时 TPS54521EVM - 607 的效率曲线。图 2 - 2 则显示了在环境温度为 25°C、输出电流低于 0.10A 时的效率曲线。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 TPS54521EVM - 607 的负载调整率，测量是在环境温度为 25°C 下进行的。

2.4 输出电压线性调整率

图 2 - 4 展示了 TPS54521EVM - 607 的线性调整率。

2.5 负载瞬态响应

图 2 - 5 展示了 TPS54521EVM - 607 在 12V 输入下，电流从 2A 阶跃到 4A 时的瞬态响应，包括输出上的纹波和噪声在内的总峰 - 峰电压变化如图所示。

2.6 环路特性

图 2 - 6 展示了 TPS54521EVM - 607 在 (V_{IN}) 电压为 12V、负载电流为 5A 时的环路响应特性，包括增益和相位图。

2.7 输出电压纹波

图 2 - 7 展示了 TPS54521EVM - 607 在输出电流为额定满载 5A、(V_{IN}=12V) 时的输出电压纹波，纹波电压直接在输出电容器两端测量。

2.8 输入电压纹波

图 2 - 8 展示了 TPS54521EVM - 607 在输出电流为额定满载 5A、(V_{IN}=12V) 时的输入电压纹波，纹波电压直接在输入电容器两端测量。

2.9 上电

图 2 - 9 和图 2 - 10 展示了 TPS54521EVM - 607 的启动波形。在图 2 - 9 中，当输入电压达到由 R1 和 R2 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 - 10 中，首先施加输入电压，通过 J2 上的跳线将 EN 连接到地来抑制输出。移除跳线后，EN 释放，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 3.3V。这两个图的输入电压均为 12V，负载为 0.66Ω。

2.10 打嗝过流模式操作

图 2 - 11 展示了 TPS54521EVM - 607 在输出接近短路（0.1Ω 负载）条件下的工作情况。如果高端 MOSFET 中的电流连续 512 个开关周期达到电流限制，TPS54521 将进入打嗝过流保护模式，并在接下来的 16384 个周期内停止开关（打嗝）。

2.11 热特性

本节展示了 TPS54521EVM - 607 在 12V 输入、5A 负载下运行时的热图像以及 EVM 电路的结温与输出电流的关系图。在无气流、环境温度为 25°C 的条件下，IC 的峰值温度（91.9°C）低于数据手册中列出的最大推荐工作温度 125°C。

三、电路板布局

3.1 布局

TPS54521EVM - 607 的电路板布局如图 3 - 1 至图 3 - 5 所示。评估模块的顶层布局采用了典型的用户应用方式，顶层、底层和内部层均为 2oz 铜。顶层包含 PVIN、VIN、(VOUT) 和 VPHASE 的主要功率走线，还包括 TPS54521 其余引脚的连接以及大面积的接地区域。底层和内部接地层仅包含接地平面。顶层接地走线通过分布在电路板周围的多个过孔连接到底层和内部接地平面，其中包括 TPS54521 器件正下方的两个过孔，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（C2 和 C3）和自举电容器（C5）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。电压分压器网络在调节点（J3 输出连接器处的铜 (Vout) 走线）与输出电压相连。对于 TPS54521，根据评估模块与输入电源的连接情况，可能需要额外的输入大容量电容器。关键模拟电路，如电压设定点分压器、频率设定电阻、慢启动电容器和补偿组件，使用与功率接地层分离的宽接地走线接地。

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 (246 in^{2}(0.38 ~mm^{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

图 4 - 1 为 TPS54521EVM - 607 的原理图。

4.2 物料清单

数量	参考标识	值	描述	尺寸	部件编号	制造商
1	C2	10µF	陶瓷电容器，25V，X5R，20%	1210	Std	Std
1	C3	4.7µF	陶瓷电容器，25V，X5R，10%	0805	Std	Std
1	C4	5600pF	陶瓷电容器，50V，X7R，10%	0603	Std	Std
1	C5	0.1µF	陶瓷电容器，16V，X7R，10%	0603	Std	Std
1	C6	560pF	陶瓷电容器，50V，C0G，5%	0603	Std	Std
1	C7	0.01µF	陶瓷电容器，10V，X7R，10%	0603	Std	Std
1	C8	10µF	陶瓷电容器，10V，X5R，10%	0805	Std	Std
1	C9	330µF	铝电解电容器，6.3V，125mΩ ESR，±20%	6.30mm 直径	EKZE6R3ELL331	Chemi - con
1	L1	3.3µH	电感器，12mΩ DCR，7.5A，±20%	0.300 英寸直径	DR0608 - 332L	Coilcraft
1	R1	511K	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
2	R2，R3	100K	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std