TPS54821 降压转换器评估模块使用指南详解

在电子设计领域，降压转换器是一种常见且关键的元件，它能将较高的输入电压转换为较低的输出电压，以满足不同电路的需求。德州仪器（Texas Instruments）的 TPS54821 降压转换器评估模块（TPS54821EVM - 049）就是这样一款具有重要应用价值的产品。本文将围绕该评估模块的用户指南，为大家详细介绍其相关特性、测试设置、性能结果以及设计中的一些要点。

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一、TPS54821 简介

TPS54821 是一款 DC/DC 转换器，能够提供高达 8A 的输出电流。它采用了分离输入电源轨的设计，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。评估模块 TPS54821EVM - 049 同时提供这两个输入，但在设计和测试时，通常将 PVIN 连接到 VIN。其额定输入电压范围为 8V 至 17V（VIN 启动电压为 6.528V），输出电流范围为 0A 至 8A。

该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 较低的漏源导通电阻使得 TPS54821 能够实现高效率，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，TPS54821 还提供了可调的软启动、跟踪和欠压锁定输入功能。评估模块的绝对最大输入电压为 20V。

二、性能规格

2.1 主要性能指标

在输入电压 (V_{IN}=12V)、输出电压为 3.3V 的条件下（除非另有说明），TPS54821EVM - 049 的主要性能规格如下：	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	-	-	-	6.528	V
VIN 停止电压	-	-	-	6.193	V
输出电压设定点	-	-	3.3	-	V
输出电流范围	(V_{IN}=8V) 至 17V	0	-	8	A
线性调整率	(I{O}=4A)，(V{IN}=8V) 至 17V	-	-	±0.005	%
负载调整率	(V{IN}=12V)，(I{O}=0A) 至 8A	-	-	±0.07	%
负载瞬态响应	(I{O}=2A) 至 6A，(I{O}=6A) 至 2A	-130	-	130	mV
		-	80	-	μs
环路带宽	(V{IN}=12V)，(I{O}=8A)	-	60	-	kHz
相位裕度	(V{IN}=12V)，(I{O}=8A)	-	74	-	-
输入纹波电压	(I_{O}=8A)	-	-	900	mVPP
输出纹波电压	(I_{O}=8A)	-	-	10	mVPP
输出上升时间	-	-	6	-	ms
工作频率	-	-	480	-	kHz
最大效率	TPS54821EVM - 049，(V{IN}=8V)，(I{O}=1.5A)	-	95.9	-	%

2.2 模块修改

该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 R7 和 R8 组成的电阻分压器网络设定，R7 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。可使用公式 (R8=frac{10kΩ × 0.6V}{V_{OUT}-0.6V}) 计算特定输出电压对应的 R8 值。常见输出电压对应的 R8 标准值如下：	输出电压（V）	R8 值（kΩ）
  1.8	4.99
  2.5	3.16
  3.3	2.21
  5	1.37

• 软启动时间：软启动时间可通过改变 C8 的值进行调整，使用公式 (C8(nF)=frac{Tss(ms) × Iss(μA)}{Vref(V)}) 计算所需的 C8 值。评估模块默认使用 (C8 = 0.022μF)，对应软启动时间为 5.7ms。
• 跟踪输入：TPS54821 可以在启动期间跟踪外部电压，J3 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 TPS54821 的数据手册。
• 可调欠压锁定（UVLO）：欠压锁定可通过 R1 和 R2 进行外部调整。评估模块默认使用 (R1 = 35.7kΩ) 和 (R2 = 8.06kΩ)，对应启动电压为 6.528V，停止电压为 6.193V。可使用公式 (R1=frac{V{START}(frac{V{ENFALLING}}{V{ENFALLING}})-V{STOP}}{I{p}(1 - frac{V{ENFALLING}}{V{ENFALLING}})+I{h}}) 和 (R2=frac{R1 × V{ENFALLING}}{V{STOP}-V{ENFALLING}+R1(I{p}+I_{n})}) 计算不同启动和停止电压所需的电阻值。
• 输入电压轨：评估模块设计为可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，单个输入电压通过 J1 提供。如果需要，可移除 JP1 跳线，分别通过 J1 和 J2 提供两个输入电压。

三、测试设置与结果

3.1 输入/输出连接

TPS54821EVM - 049 配备了输入/输出连接器和测试点。需要使用能够提供 4A 电流的电源，通过一对 20AWG 电线连接到 J1，同时确保 JP1 跳线处于连接状态。负载应通过一对 20AWG 电线连接到 J4，最大负载电流能力为 8A。为减少电线损耗，应尽量缩短电线长度。测试点 TP1 用于监测 (V_{IN}) 输入电压，TP2 作为接地参考；TP9 用于监测输出电压，TP10 作为接地参考。

3.2 各项测试结果

• 效率：评估模块的效率在负载电流约为 2A 时达到峰值，随后随着负载电流接近满载而下降。在环境温度为 25°C 时，不同输入电压下的效率曲线如图 2 - 1 和图 2 - 2 所示。由于内部 MOSFET 漏源电阻的温度变化，在较高环境温度下效率可能会降低。
• 输出电压负载调整率：图 2 - 3 展示了 TPS54821EVM - 049 在环境温度为 25°C 时的负载调整率情况。
• 输出电压线性调整率：图 2 - 4 显示了该评估模块的线性调整率，测试条件为 (I_{OUT}=4A)，输入电压在 8V 至 17V 之间变化。
• 负载瞬态响应：图 2 - 5 展示了 TPS54821EVM - 049 在输入电压为 12V 时，负载电流从 2A 阶跃到 6A（最大额定负载的 25% 至 75%）的瞬态响应，电流阶跃斜率为 1A/µs。
• 环路特性：图 2 - 6 给出了 (V_{IN}=12V)、负载电流为 8A 时的环路响应特性，包括增益和相位曲线。
• 输出电压纹波：图 2 - 7 显示了在输出电流为额定满载 8A、(V_{IN}=12V) 时，直接跨接输出电容测量得到的输出电压纹波。
• 输入电压纹波：图 2 - 8 展示了在相同条件下，直接跨接输入电容测量得到的输入电压纹波。
• 上电：图 2 - 9 和图 2 - 10 分别展示了 TPS54821EVM - 049 相对于 (V_{IN}) 和使能信号的启动波形。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，输入电压先施加，通过 JP2 跳线将 EN 连接到 GND 抑制输出，移除跳线释放 EN 后，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。
• 预偏置启动：TPS54821 设计为能够在预偏置输出的情况下启动，图 2 - 11 展示了输出电压预偏置为 1V 时的启动波形。
• 打嗝模式电流限制：TPS54821 具有打嗝模式电流限制功能，当发生过流事件时，转换器会关闭并重新启动。图 2 - 12 展示了过流情况下的重启序列。

四、电路板布局

TPS54821EVM - 049 的电路板布局如图 3 - 1 至图 3 - 5 所示。顶层、底层和内层均采用 2 - oz 铜。顶层包含 PVIN、VIN、(V{OUT}) 和 VPHASE 的主要功率走线，以及 TPS54821 其余引脚的连接和大面积的接地区域。内层 2 主要为接地层，还有 PVIN、VIN 和 (V{OUT}) 的填充区域。底层和内层 2 仅包含接地平面。顶层接地走线通过多个过孔与底层和内层接地平面连接，其中在 TPS54821 器件正下方有五个过孔，为顶层接地平面到底层接地平面提供热路径。

输入去耦电容（C2 和 C4）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，分压器网络在调节点（J4 输出连接器处的铜 (V_{OUT}) 走线）与输出电压相连。对于 TPS54821，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，使用与功率接地灌流分开的宽接地走线接地。

五、原理图与物料清单

5.1 原理图

图 4 - 1 为 TPS54821EVM - 049 的原理图，展示了各个元件的连接关系。

5.2 物料清单

表 4 - 1 列出了 TPS54821EVM - 049 的物料清单，包括元件的数量、参考编号、值、描述、尺寸、零件编号和制造商等信息。

六、总结

通过对 TPS54821 降压转换器评估模块的详细介绍，我们了解了其基本特性、性能规格、测试设置、电路板布局以及原理图和物料清单等方面的内容。在实际设计中，工程师可以根据具体需求对模块进行修改，以实现不同的功能。同时，通过对各项测试结果的分析，可以更好地了解该模块在不同条件下的性能表现，为电路设计提供参考。大家在使用过程中，是否遇到过类似模块在实际应用中的特殊问题呢？欢迎在评论区分享交流。