TPS54610 EVM 评估模块：设计与性能全解析

一、引言

在电子设计领域，电源管理模块的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。TPS54610 EVM 评估模块作为一款重要的电源管理工具，为工程师们提供了便捷的测试和开发平台。今天，我们就来深入了解一下这款评估模块的特点、性能以及使用方法。

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二、模块背景与性能概述

2.1 背景

TPS54610 EVM 采用了 TPS54610 同步降压调节器，能够在 4.0 V 至 6.0 V 的输入电压范围内，为 0 A 至 6 A 的负载提供 3.3 V 的稳定输出。其设计易于修改，额外的焊盘支持多种输入和输出电容，较大的电感焊盘可适配不同的电感。此外，通过跳线可以轻松将开关频率从 350 kHz 切换到 550 kHz。值得一提的是，TPS54610 的 MOSFET 集成在封装内部，无需外部 MOSFET 及其驱动，低导通电阻使得模块在高输出电流时具有高效率和低结温的特点。外部补偿组件则允许实现可调输出电压和可定制的环路响应。

2.2 性能规格总结

以下是 TPS54610 EVM 在环境温度为 25°C 时的性能规格总结：	项目	最小值	典型值	单位
输入电压范围	4	-	V
输出电压设定点	-	-	V
输出电流范围（VIN = 5 V）	-	-	6 A
线性调整率	-5	-	-
负载调整率（VIN = 5 V）	-	-	+5 mV
输出电压纹波	-	-	mVPK
负载瞬态响应（$I{O}=5 A$ 到 $1 A, t{(fall)}=10 mu s$）	100	150	μs
环路带宽	-	-	-
相位裕度（$V{IN}=5V, I{O}=6A$）	-	75	-
输入纹波电压	-	-	-
输入纹波电压（特定条件）	-	18	mVPP
输入纹波电压（另一条件）	-	8.4 - 15	-
工作频率（VSYNCH = 0 V）	-	350	kHz
工作频率（另一条件）	440	-	-
效率（$V{IN}=5V, I{O}=1.5A$）	-	-	-

三、模块的可修改性

3.1 元件适配

TPS54610 EVM 设计支持多种类型的输入电容、输出电容和电感。例如，C3 提供了表面贴装输入电容的焊盘，C1 的孔可用于通孔输入电容；C10 和 C11 为表面贴装输出电容提供焊盘，C12 的孔可用于通孔输出电容；L1 的大焊盘能适配各种功率电感。不过，在更改输出滤波器时，需要相应改变补偿值以确保稳定性。可以使用 SWIFT Designer 软件工具或德州仪器应用笔记 SLVA104 来辅助计算补偿组件，这些资源都可在德州仪器网站下载。

3.2 频率调整

通过改变跳线 JP1 的位置，可轻松将 TPS54610 EVM 的开关频率设置为 350 kHz 或 550 kHz。此外，使用 RT（R3）还能将开关频率微调至 280 kHz 至 700 kHz 之间的任意值，具体的 RT 值与开关频率的关系可参考图 1 - 1。

3.3 输出电压调整

只需改变一个组件值（R2），就可以将 TPS54610 EVM 的输出电压调整至低至 0.9 V。可以使用公式 $R{2}=10 k Omega × frac{0.891 V}{V{O}-0.891 V}$ 计算特定输出电压对应的 R2 值，常见总线电压对应的 R2 值如下表所示：	输出电压 (V)	R2 (kΩ)
0.9	1000
1.2	28.7
1.5	14.7
1.8	9.76
2.5	5.49
3.3	3.74

3.4 慢启动时间调整

改变 C2 的值可以修改 TPS54610 EVM 的慢启动时间，使用公式 $C{2}=frac{T{SS} × 5 mu A}{0.891 V}$ 可计算特定慢启动时间对应的 C2 值。若 C2 不焊接，慢启动时间通常为 3.6 ms，且慢启动时间不能快于 3.6 ms。

四、测试设置与结果

4.1 输入/输出连接

TPS54610 EVM 的输入/输出连接包括 J1（$Vin$ 和 GND）和 J3（$Vout$ 和 GND）。需通过一对 20 AWG 电线将能够提供 6 A 电流的电源连接到 J1，通过一对 16 AWG 电线将负载连接到 J3，并尽量缩短电线长度以减少线损。测试点 TP5 方便使用示波器电压探头监测输出电压。

4.2 环路特性设置

模块在反馈路径中包含一个 49.9 - Ω 的电阻（R6），用于测量环路响应。R6 两侧的测试点（TP4 和 TP3）为网络分析仪信号提供连接点。通过在 R6 两端注入小交流信号，可测量从 R6 一侧到另一侧的环路增益和相位。由于 R6 的值相对于 R4 较小，不会影响调节器的输出电压设定点。

4.3 效率

TPS54610 EVM 的效率在负载电流约为 1.5 A 时达到峰值，满载时效率降至约 89%。在 5 V 输入和 25°C 环境温度下的典型效率如图 2 - 2 所示。由于 MOSFET 漏源电阻的温度变化，环境温度升高时效率会降低。此外，由于 MOSFET 的栅极和开关损耗，350 kHz 时的效率略高于 550 kHz。图 2 - 3 展示了总板损耗情况。

4.4 热性能

图 2 - 4 绘制了在 5 V 输入电压和 25°C 环境温度下，结温与负载电流的关系；图 2 - 5 展示了壳温情况。PWP 封装的低结壳热阻以及良好的电路板布局有助于在高输出电流时保持较低的结温。在 5 V 输入源和 6 A 负载下，结温约为 60°C，壳温约为 55°C。

4.5 输出电压调节

图 2 - 6 显示了在 5 V 输入和 25°C 环境温度下的输出电压负载调整率，图 2 - 7 展示了输出电压线性调整率。在 4.0 V 至 6.0 V 的输入电压范围和 0 A 至 6 A 的负载范围内，输出电压变化小于 0.3%。

4.6 负载瞬态响应

图 2 - 8 展示了 TPS54610 EVM 对负载瞬态的响应，负载在 10 μs 内从 1 A 过渡到 5 A，输出电压因这些瞬态而偏离其平均值约 50 mV。

4.7 环路特性

图 2 - 9 和图 2 - 10 分别显示了在 5.0 V 输入和 6.0 A 负载下的环路增益和相位。环路交叉频率约为 25 kHz，相位裕度约为 75°。

4.8 输出电压纹波

图 2 - 11 和图 2 - 12 分别绘制了开关频率为 350 kHz 和 550 kHz 时的输出纹波电压，SLVP192 的典型输出电压纹波小于 $18 mV_{pp}$。

4.9 输入纹波电压

图 2 - 13 和图 2 - 14 分别展示了 6 A 负载下，开关频率为 350 kHz 和 550 kHz 时的输入纹波电压。550 kHz 开关频率下，输入纹波约为 $200 mV_{pp}$，可通过增加输入电容来降低输入纹波电压。

4.10 启动特性

图 2 - 15 展示了 TPS54610 EVM 的启动电压波形。输入电压上升到 3.0 V 启动电压阈值以上后，约有 12.8 ms 的延迟，然后输出开始上升，输出电压在 7.2 ms 内上升到 3.3 V。输出电压上升沿的斜率变化发生在 TPS54610 EVM 内部参考电压控制从内部控制的慢启动转变为外部控制的慢启动的点。减小 C2 的值可以减少启动延迟时间和慢启动时间，若 C2 不焊接，启动延迟时间消除，慢启动时间通常为 3.6 ms。

五、电路板布局

5.1 布局特点

TPS54610 EVM 的顶层（元件层）布局如图 3 - 1 所示。输入去耦电容（C9）、偏置去耦电容（C4）和自举电容（C8）都尽可能靠近 IC 放置，补偿组件也靠近 IC。补偿电路在调节点（TP4）连接到输出电压。

5.2 层结构

所有层的布局类似于典型应用中的层叠结构。顶层和底层为 1.5 oz. 铜，两个内层为 0.5 oz. 铜，内层用作安静接地平面。电源接地平面在顶层布线，并在输出感测点（测试点 TP8）与安静（模拟）接地平面相连。使用宽电源接地平面可防止输入接地电流在模拟和电源接地之间注入噪声。总共使用 16 个过孔将 TPS54610 器件下方的散热焊盘区域连接到内部接地平面和电路板背面的散热平面。

六、原理图与物料清单

6.1 原理图

图 4 - 1 展示了 TPS54610 EVM 的原理图，为工程师提供了电路设计的详细信息。

6.2 物料清单

表 4 - 1 列出了 TPS54610 EVM 的物料清单，包括元件数量、参考编号、描述、尺寸、制造商和零件编号等信息，方便工程师进行元件采购和替换。

七、总结

TPS54610 EVM 评估模块具有良好的性能和高度的可修改性，为电源管理设计提供了丰富的选择。通过对其背景、性能、可修改性、测试结果、电路板布局以及原理图和物料清单的详细了解，工程师们可以更好地利用这款模块进行电源管理系统的设计和开发。大家在使用过程中是否遇到过类似模块的其他问题呢？欢迎在评论区分享交流。