TPS54610/810/910评估模块：设计与性能全解析

在电子工程师的日常工作中，电源管理模块的设计与评估是至关重要的环节。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）的TPS54610/810/910评估模块（EVM），看看它在实际应用中的表现如何。

文件下载：TPS54810EVM-213.pdf

一、模块背景与特性

1.1 背景概述

SLVP213评估模块采用了TPS54610、TPS54810或TPS54910同步降压调节器，能够从标称3.3V或5V的输入提供1.8V的输出电压。不同型号的评估模块在输入电压范围和输出电流范围上有所差异，具体如下表所示：	EVM	Input Voltage Range	Output Current Range
TPS54610EVM−213	3 V to 6 V	0 A to 6 A
TPS54810EVM−213	4 V to 6 V	0 A to 8 A
TPS54910EVM−213	3 V to 4 V	0 A to 9 A

这些评估模块旨在展示使用TPS54x10系列调节器设计时可实现的小PCB面积。其开关频率设定为标称700kHz，允许使用小尺寸的0.65µH输出电感器。此外，TPS54x10的MOSFET集成在封装内部，无需外部MOSFET及其相关驱动器，低导通电阻的MOSFET提供了高效率，并有助于在高输出电流时保持较低的结温。补偿组件位于IC外部，可实现可调输出电压和特定应用的环路响应。

1.2 性能规格总结

不同型号的评估模块在性能规格上也有所不同，以下是各型号的主要性能规格总结：

• TPS54610EVM - 213：输入电压范围3 - 6V，输出电压设定点0.9 - 1.8V（VIN大于3.8V时为3.3V），最大输出电流6A，在5V输入、2.5A负载时最大效率可达89.7%。
• TPS54810EVM - 213：输入电压范围4 - 6V，输出电压设定点0.9 - 1.8V（可至3.3V），最大输出电流8A，在5V输入、2A负载时最大效率为89.4%。
• TPS54910EVM - 213：输入电压范围3 - 4V，输出电压设定点0.9 - 1.8V（可至2.5V），最大输出电流9A，在3.3V输入、2A负载时最大效率高达92.4%。

1.3 模块修改

虽然SLVP213设计旨在展示TPS54x10的小尺寸特性，但仍有一些参数可以进行修改。

• 输出电压调整：通过改变R4的值，可以在0.9V - 3.3V（TPS54910为2.5V）范围内改变输出电压。计算公式为[R 4=10 k Omega × frac{0.891 V}{V_{O}-0.891 V}]，常见输出电压对应的R4值如下表所示：	Output Voltage (V)	R4 Value (k Ω )
  0.9	1000
  1.2	28.7
  1.5	14.7
  1.8	9.76
  2.5	5.49
  3.3	3.74

• 开关频率调整：通过改变R5的值，可以将开关频率调整到280kHz - 700kHz之间。需要注意的是，降低开关频率会增加输出纹波，除非同时增加L1的值。
• 慢启动时间调整：修改C6的值可以改变SLVP213的慢启动时间，计算公式为[R 6=frac{T_{SS} × 5 mu A}{0.891 V}]，当C6开路时，慢启动时间通常为3.6ms，且无法小于该值。

二、测试设置与结果

2.1 输入/输出连接

SLVP213有四个输入/输出连接点：输入、输入返回、输出和输出返回。应使用能够提供10A电流的电源通过一对20AWG电线连接到J2，负载通过一对16AWG电线连接到J1。为减少电线损耗，应尽量缩短电线长度。测试点TP1可方便连接示波器电压探头以监测输出电压。

2.2 效率

SLVP213的效率在约2A的负载电流时达到峰值，随后随着负载电流增加至满载而降低。在环境温度为25°C时，5V（TPS54610、TPS54810）和3.3V（TPS54910）输入下的效率如图所示。由于MOSFET的漏源电阻随温度变化，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，700kHz的开关频率下效率略低于较低开关频率。

2.3 功率耗散

PWP封装的低结壳热阻以及精心设计的电路板布局，使得SLVP213 EVM能够在保持安全结温的情况下输出全额定负载电流。例如，对于TPS54610，在5V输入源和6A负载下，结温约为60°C，壳温约为55°C。25°C时的总电路板损耗如图所示，TPS54910由于MOSFET的低导通电阻，在给定输出电流下耗散的功率更少。

2.4 输出电压调节

输出电压的负载调节和线路调节情况分别如图所示，测量是在环境温度为25°C时进行的。

2.5 负载瞬态响应

SLVP213对负载瞬态的响应如图所示，电流阶跃为最大额定负载的25% - 75%，输出的总峰 - 峰电压变化包括纹波和噪声。

2.6 环路特性

SLVP213的环路响应特性如图所示，展示了每个器件在最小和最大工作电压下的增益和相位图。

2.7 输出电压纹波

各器件类型的输出电压纹波如图所示，输入电压对于TPS54610和TPS54910为3.3V，对于TPS54810为5V，输出电流为额定满载的50%。

2.8 输入电压纹波

输入电压纹波情况如图所示，输入电压和输出电流条件与输出电压纹波测试相同。

2.9 启动特性

SLVP213的启动电压波形如图所示，输入电压上升到启动电压阈值（TPS54610为2.9V，TPS54810为3.8V）以上后，约有9ms的延迟，输出电压才开始上升到最终的1.8V值。输出电压跟踪内部和外部慢启动电压中的较大值，导致斜坡率发生变化。

三、电路板布局

SLVP213的电路板布局采用了类似典型应用中的层叠结构。顶层和底层为1.5oz铜，两个内层为0.5oz铜。

• 顶层：包含(V_{IN})、(OUT)和(Phase)的主要功率走线，以及TPS54x10其余引脚的连接和大面积接地平面。
• 内层：两个内层相同，均为专用接地平面。
• 底层：包含补偿网络电路以及额外的(VIN)、(VOUT)和接地走线。顶层和底层的接地走线通过45个过孔连接到内部接地平面，其中12个过孔直接位于TPS54x10器件下方，为PowerPAD焊盘提供热路径到地。

输入去耦电容（C4和C8）、偏置去耦电容（C9）和自举电容（C6）都尽可能靠近IC放置。补偿组件也靠近IC位于PCB背面，补偿电路在调节点连接到输出电压，该调节点是连接到输出连接器（J2）的宽走线。

四、原理图与物料清单

4.1 原理图

SLVP213的原理图如图所示，模拟和功率接地连接到IC封装下方的PowerPAD。

4.2 物料清单

SLVP213的物料清单详细列出了各个元件的信息，包括电容、电阻、电感、连接器、IC等，具体信息如下表所示：	COUNT	REF DES	DESCRIPTION	SIZE	MFR	PART NUMBER
2	C1, C4	Capacitor, ceramic, 470 pF, 50 V, C0G, 5%	603	Panasonic	GRM1885C1H471JA01
2	C10, C12	Capacitor, ceramic, 10 µ F, 10 V, X5R, 20%	1210	Taiyo Yuden	LMK325BJ106MN
1	C11	Capacitor, ceramic, 3300 pF, 50 V, X7R, 10%	603	Panasonic	ECJ−1VB1H332K
1	C2	Capacitor, ceramic, 12 pF, 50 V, C0G, 5%	603	Murata	GRM1885C1H120JZ01
1	C3	Capacitor, ceramic, 1 µ F, 10 V, X5R, 10%	603	TDK	C1608X5R1A105M
3	C5, C7, C8	Capacitor, ceramic, 22 µ F, 6.3 V, X5R, 20%	1210	Taiyo Yuden	JMK325BJ226MN
2	C6, C9	Capacitor, ceramic, 0.047 µ F, 25 V, X7R, 10%	603	Murata	GRM188R71E473KA01
2	J1, J2	Terminal block, 2 pin, 15 A, 5,1 mm	148830	OST	ED1609
1	L1	Inductor, 0.65 µ H, 12 A	0.340 × 0.250	Pulse	PA0277
2	R1, R5	Resistor, chip, 10.0 k Ω , 1/16 W, 1%	603	Panasonic	ERJ−3EKF1002
1	R2	Resistor, chip, 301 Ω , 1/16 W, 1%	603	Panasonic	ERJ−3EKF301
1	R3	Resistor, chip,10.0 k Ω , 1/16 W, 1%	603	Panasonic	ERJ−3EKF1002
1	R4	Resistor, chip, 9.76 k Ω , 1/16 W, 1%	603	Std	Std
1	R6	Resistor, chip, 71.5 k Ω , 1/16 W, 1%	603	Std	Std
1	R7	Resistor, chip, 2.4 Ω , 1/8 W, 1%	1206	Panasonic	ERJ−8RQF2R4
1	TP1	Adaptor, 3.5-mm probe clip (or 131−5031−00)	72900	Tektronix	131−4244−00
5	TP2, TP4, TP6, TP7, TP9	Test point, red, 1 mm	0.038”	Farnell	240−345
3	TP3, TP5, TP8	Test point, black, 1 mm	0.038”	Farnell	240−333
1	U1	IC, IFET power controller, 3 V to 6 V, 6 A	PWP28	TI	TPS54610PWP
	1	IC, IFET power controller, 4 V to 6 V, 8 A	PWP28	TI	TPS54810PWP
		1	IC, IFET power controller, 3 V to 3.6 V, 9 A	PWP28	TI	TPS54910PWP
1		PCB, 3 in × 3 in × 0.062 in		Any	SLVP213

通过对TPS54610/810/910评估模块的全面分析，我们可以看到它在电源管理方面具有出色的性能和一定的可调节性。在实际设计中，电子工程师可以根据具体需求合理选择和调整模块参数，以满足不同应用场景的要求。你在使用类似电源管理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。