TPS54320降压转换器评估模块用户指南解读

在电子设计领域，降压转换器是一种常见且关键的组件。德州仪器（Texas Instruments）的TPS54320降压转换器评估模块为工程师们提供了一个便捷的测试和开发平台。今天，我们就来详细解读一下这个评估模块的用户指南。

文件下载：TPS54320EVM-513.pdf

一、引言

1.1 背景

TPS54320是一款直流 - 直流转换器，能够提供高达3A的输出电流。它采用了分离的输入电源轨，为功率级和控制电路分别提供独立的输入电压。功率级输入（PVIN）的额定电压范围为1.6V至17V，控制输入（VIN）的额定电压范围为4.5V至17V。在实际设计和测试中，通常将PVIN连接到VIN。评估模块的额定输入电压范围为8V至17V（VIN启动电压为6.806V），输出电流范围为0A至3A。

这款转换器的开关频率外部设定为标称480kHz，内部集成了高端和低端MOSFET以及栅极驱动电路。MOSFET的低漏源导通电阻使得TPS54320能够实现高效率，并在高输出电流时保持较低的结温。补偿组件位于集成电路（IC）外部，通过外部分压器可实现输出电压的可调。此外，TPS54320还提供了可调的软启动、跟踪和欠压锁定输入功能，其绝对最大输入电压为20V。

1.2 性能规格总结

在输入电压为12V、输出电压为3.3V（除非另有说明）的条件下，TPS54320的性能规格如下：

• 输入电压范围：8V至17V（PVIN = VIN）
• VIN启动电压：典型值为6.806V
• VIN停止电压：典型值为4.824V
• 输出电压设定点：典型值为3.3V
• 输出电流范围：0A至3A（VIN = 8V至17V）
• 线路调节率：±0.02%（IO = 3A，VIN = 8V至17V）
• 负载调节率：±0.02%（VIN = 12V，IO = 0A至3A）
• 负载瞬态响应：电压变化在90mV以内，恢复时间约为70μs
• 环路带宽：典型值为32.1kHz（VIN = 12V，IO = 3A）
• 相位裕度：典型值为82°（VIN = 12V，IO = 3A）
• 输入纹波电压：典型值为480mVPP（IO = 3A）
• 输出纹波电压：典型值为10mVPP（IO = 3A）
• 输出上升时间：典型值为3.5ms
• 工作频率：典型值为480kHz
• 最大效率：在TPS54320EVM - 513模块中，VIN = 8V、IO = 0.9A时，最大效率可达94.9%

1.3 模块修改

这个评估模块允许进行一些修改，以满足不同的设计需求。

• 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，R9固定为10kΩ。要改变评估模块的输出电压，需要改变电阻R8的值。可以使用公式 (R 8=frac{10 k Omegaleft(V_{OUT }-0.8 Vright)}{0.8 V}) 计算特定输出电压下R8的值。常见输出电压对应的R8值如下：	输出电压 (V)	R8值 (kΩ)
  1.8	12.4
  2.5	21.5
  3.3	31.6
  5	52.3

需要注意的是，VIN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%。

• 软启动时间：软启动时间可以通过改变C7的值进行调整。使用公式 (C 7(nF)=frac{Tss(m s) × Iss(mu A)}{Vref(V)}) 计算所需的C7值。评估模块默认使用C7 = 0.01μF，软启动时间为3.5ms。
• 跟踪输入：TPS54320在启动时可以跟踪外部电压。J5连接器用于连接外部电压，通过电阻分压器R5和R6可以实现比例跟踪或同步跟踪。具体细节可参考TPS54320数据手册（SLVS982）。
• 可调欠压锁定（UVLO）：欠压锁定可以通过R1和R2进行外部调整。评估模块默认使用R1 = 511kΩ和R2 = 100kΩ，启动电压为6.528V，停止电压为6.190V。可以使用公式 (R 1=frac{V{START }left(frac{V{ENFALLLING }}{V{ENRISING }}right)-V{STOP }}{I{p}left(1-frac{V{ENFALLES }}{V{ENRISING }}right)+I{h}}) 和 (R 2=frac{R 1 × V{ENFALLING }}{V{STOP }-V{ENFALLING }+R 1left(I{p}+I_{h}right)}) 计算不同启动和停止电压所需的电阻值。
• 输入电压轨：评估模块设计为适应功率级和控制逻辑的不同输入电压水平。正常运行时，通过JP1跳线将PVIN和VIN输入连接在一起，由J1提供单一输入电压。如果需要，可以移除JP1跳线，分别在J1和J2提供两个不同的输入电压。

二、测试设置与结果

2.1 输入/输出连接

TPS54320评估模块提供了输入/输出连接器和测试点。需要使用能够提供2A电流的电源，通过一对20AWG电线连接到J1，并确保JP1跳线处于连接状态。负载通过一对20AWG电线连接到J3，最大负载电流能力为3A。为了减少电线损耗，应尽量缩短电线长度。测试点TP1用于监测VIN输入电压，TP2作为接地参考；TP8用于监测输出电压，TP9作为接地参考。

2.2 效率

评估模块的效率在负载电流约为0.9A时达到峰值，随着负载电流接近满载而降低。在环境温度为25°C时，图2 - 1展示了TPS54320的效率曲线，图2 - 2展示了输出电流低于0.20A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 输出电压负载调节

图2 - 3展示了TPS54320的负载调节情况，测量是在环境温度为25°C的条件下进行的。

2.4 输出电压线路调节

图2 - 4展示了TPS54320的线路调节情况。

2.5 负载瞬态响应

图2 - 5展示了TPS54320对负载瞬态的响应。在输入电压为12V时，电流从最大额定负载的25%阶跃到50%，输出电压的总峰 - 峰变化包括纹波和噪声。

2.6 环路特性

图2 - 6展示了TPS54320的环路响应特性，增益和相位图是在VIN为12V、负载电流为3A的条件下测量的。

2.7 输出电压纹波

图2 - 7展示了TPS54320在输出电流为额定满载3A、VIN = 12V时的输出电压纹波。纹波电压应直接跨接在输出电容器上，使用低电感探头进行测量。在输出测试点TP8和TP9测量可能会拾取一些辐射噪声，导致测量结果不准确。

2.8 输入电压纹波

图2 - 8展示了TPS54320在输出电流为额定满载3A、VIN = 12V时的输入电压纹波，纹波电压直接跨接在输入电容器上进行测量。

2.9 上电

图2 - 9和图2 - 10展示了TPS54320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JP2跳线将EN连接到GND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。这些图的输入电压为12V，负载为1.1Ω。

2.10 热特性

在输入电压为12V、负载为3A、无气流、环境温度为25°C的条件下，图2 - 11展示了TPS54320的热图像。IC的峰值温度为59.5°C，远低于数据手册中列出的最大推荐工作温度150°C。

三、电路板布局

3.1 布局

TPS54320的电路板布局如图3 - 1至图3 - 3所示。评估模块的顶层布局采用了典型的用户应用方式，顶层和底层均为2盎司铜。顶层包含PVIN、VIN、VOUT和VPHASE的主要功率走线，以及TPS54320其余引脚的连接和大面积的接地。底层仅包含接地平面，顶层接地走线通过多个过孔连接到底层接地平面，其中包括位于TPS54320器件正下方的九个过孔，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（C2和C3）和自举电容（C5）都尽可能靠近IC放置。电压设定点电阻分压器组件也靠近IC，分压器网络连接到J3输出连接器处的VOUT铜走线，即调节点。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。关键的模拟电路，如电压设定点分压器、频率设定电阻、软启动电容和补偿组件，使用与功率接地层分开的宽接地走线接地。

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 (0.35 in^{2}(227 ~mm^{2})) ，不包括测试点和连接器。

四、原理图和物料清单

4.1 原理图

图4 - 1展示了TPS54320的原理图。

4.2 物料清单

TPS54320的物料清单如下：	数量	参考编号	值	描述	尺寸	零件编号	制造商
2	C2, C3	4.7µF	陶瓷电容，25V，X5R，10%	0805	Std	Std
1	C4	0.015µF	陶瓷电容，50V，X7R，10%	0603	Std	Std
1	C5	0.1µF	陶瓷电容，16V，X7R，10%	0603	Std	Std
1	C6	330pF	陶瓷电容，25V，X7R，10%	0603	Std	Std
1	C7	0.01µF	陶瓷电容，25V，X7R，10%	0603	Std	Std
1	C9	47µF	陶瓷电容，6.3V，X5R，20%	1210	Std	Std
1	C11	100pF	陶瓷电容，50V，C0G，5%	0603	Std	Std
1	L1	6.8 µH	贴片电感，3.6A，24毫欧	8.7 mm x 8.6 mm	VLP8040T - 6R8M	TDK
1	R1	511KΩ	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
2	R2, R3	100KΩ	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
1	R4	1.78KΩ	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
1	R7	51.1Ω	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
1	R8	31.6KΩ	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
1	R9	10.0KΩ	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
1	U1	TPS54320RHL	IC，17V输入，3A输出，集成FET的同步降压开关	QFN14	TPS54320RHL	TI

五、修订历史

从2010年9月的版本到2021年10月的版本，文档进行了一些更新，包括更新表格、图形和交叉引用的编号格式，以及更新用户指南的标题。

通过对TPS54320降压转换器评估模块用户指南的解读，我们可以更深入地了解该模块的性能、使用方法和设计要点。在实际应用中，工程师们可以根据具体需求对模块进行适当的修改和调整，以实现最佳的设计效果。你在使用类似降压转换器评估模块时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。