TPS542951 降压转换器评估模块使用指南

一、引言

TPS542951 是一款双路、自适应导通时间、D - CAP2™ 模式的同步降压转换器，具有外部元件数量少的优点。D - CAP2 控制电路针对低 ESR 输出电容（如 POSCAP、SP - CAP 或陶瓷类型）进行了优化，具备快速瞬态响应且无需外部补偿。其开关频率内部设定为标称 700 kHz，高侧和低侧开关 MOSFET 以及栅极驱动电路都集成在 TPS542951 封装内。MOSFET 的低漏源导通电阻使得 TPS542951 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。此外，它还具备自动跳过 Eco - mode 操作，以提高轻载效率。

文件下载：TPS542951EVM-057.pdf

TPS542951 双路 DC/DC 同步转换器设计用于从 4.5 V 至 18 V 的输入电压源在 CH1 提供高达 3 A 输出，在 CH2 也提供 3 A 输出，输出电压范围为 0.76 V 至 7 V。TPS542951 EVM 评估模块是一款双路同步降压转换器，可从 5 V 至 18 V 输入在 CH1 提供 3.3 V/2 A 输出，在 CH2 提供 1.5 V/3 A 输出。

二、性能规格总结

在输入电压 (V_{INx } = 12 V)、输出电压为 3.3 V 和 1.5 V（除非另有说明）、环境温度 25°C（除非另有说明）的条件下，TPS542951EVM 的性能规格如下：	规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压范围 ((V_{INx}))	-	12	-	18	V
输出电压 (V_{OUT1})	-	-	3.3	-	V
输出电压 (V_{OUT2})	-	-	1.5	-	V
工作频率	(V{IN1}), (V{IN2} = 12 V), (I{OUT1} = 1 A), (I{OUT2} = 1.5 A)	-	700	-	kHz
输出电流范围 CH1	-	0	-	4	A
输出电流范围 CH2	-	0	-	2	A
线路调整率 (V_{OUT1})	(I{OUT1} = 1 A), (I{OUT2} = 0 A), (V{IN1}), (V{IN2}= 6 V) 至 18 V	-0.55	-	+0.25	%
线路调整率 (V_{OUT2})	(I{OUT2} = 1.5 A), (I{OUT1} = 0 A), (V{IN1}), (V{IN2}= 5 V) 至 18 V	-0.35	-	+0.15	%
负载调整率 (V_{OUT1})	(V{IN1}), (V{IN2} = 12 V), (I_{OUT1} = 0 A) 至 2 A	-0.1	-	+0.4	%
负载调整率 (V_{OUT2})	(V{IN1}), (V{IN2} = 12 V), (I_{OUT2} = 0 A) 至 3 A	-0.05	-	+0.5	%
过流限制 (V_{OUT1})	(V_{IN1} = 12 V), (L1 = 2.2 µH)	2.7	3.9	4.5	A
过流限制 (V_{OUT2})	(V_{IN2} = 12 V), (L1 = 1.5 µH)	3.5	4.7	5.4	A
输出纹波电压 (V_{OUT1})	(V{IN1} = 12 V), (I{OUT1} = 2 A)	-	-	20	(mV_{PP})
输出纹波电压 (V_{OUT2})	(V{IN2} = 12 V), (I{OUT2} = 3 A)	-	-	20	(mV_{PP})
最大效率 (V_{OUT1})	(V{IN1} = 6 V), (I{OUT1}= 0.6 A)	-	94.1	-	%
最大效率 (V_{OUT2})	(V{IN2} = 5 V), (I{OUT2}= 0.5 A)	-	88.8	-	%

三、模块修改

3.1 输出电压设定点

若要改变 EVM 的输出电压，需更改反馈分压器的顶部电阻 R1 或 R3 的值。可参考图 5 - 1 中的顶层组件来定位靠近输出连接器的电阻。改变 R1 或 R3 的值可使输出电压高于 0.765 V，特定输出电压下 R1 或 R3 的值可使用以下公式计算： 对于 0.76 V 至 7 V 的输出电压： [V{OUT 1}=0.765 V timesleft(1+frac{R 1}{R 2}right) ; V{OUT 2}=0.765 V timesleft(1+frac{R 3}{R 4}right)] 表 3 - 1 列出了一些常见输出电压对应的 R1 或 R3 值。对于 1.8 V 及以上的输出电压，可能需要一个前馈电容（C21 或 C20）来改善相位裕度，印刷电路板上提供了该组件（C21 或 C20）的焊盘。需注意，表 3 - 1 中给出的电阻值是标准值，而非使用上述公式计算出的精确值。

3.2 输出滤波器和闭环响应

TPS542951 依靠输出滤波器特性来确保控制环路的稳定性。表 3 - 1 给出了常见输出电压推荐的输出滤波器组件。其他输出滤波器组件值也可能提供可接受的闭环特性。R11 和 R12 方便用于断开控制环路并测量闭环响应。

四、测试设置和结果

4.1 输入/输出连接

TPS542951EVM 提供了输入/输出连接器和测试点，具体如下：	参考标号	功能
J1	(V{IN})（(V{IN}) 范围见表 1 - 1）
J2	(V_{OUT2})，1.5 V，最大 3 A
J3	(V_{OUT1})，3.3 V，最大 2 A
J4	EN1 控制。将 EN1 连接到 off 禁用转换器 1；连接到 on 启用转换器 1。
J5	EN2 控制。将 EN2 连接到 off 禁用转换器 2；连接到 on 启用转换器 2。
JP1	跳线，可为转换器 2 使用另一个输入电压。
TP1	(V{IN}) 连接器处的 (V{IN}) 测试点
TP2	JP1 后的 (V_{IN2}) 测试点
TP3	转换器 2 的输出电压测试点
TP4	转换器 1 的输出电压测试点
TP5, TP6, TP7	输入和输出连接器处的接地测试点
TP8	EN2 测试点
TP9	EN1 测试点
TP10	转换器 1 的开关节点测试点
TP11	转换器 2 的开关节点测试点
TP12	VREG5 测试点
TP13	PG1 测试点
TP14	PG2 测试点
TP15	模拟接地测试点

4.2 启动程序

1. 确保 J4 和/或 J5（启用控制）处的跳线从 ENx 设置到 off。
2. 向 J1 处的 (V{IN}) 和 PGND 端子施加适当的 (V{IN}) 电压。
3. 将 J4 和/或 J5（启用控制）处的跳线移至覆盖 ENx 和 on，EVM 启用相应的输出电压。

4.3 效率

• 转换器 1 的效率：图 4 - 1 展示了 TPS542951EVM 上转换器 1 在环境温度 25°C 时的效率；图 4 - 2 展示了其轻载效率。
• 转换器 2 的效率：图 4 - 3 展示了 TPS542951EVM 上转换器 2 在环境温度 25°C 时的效率；图 4 - 4 展示了其轻载效率。

4.4 负载调整率

• 转换器 1 的负载调整率：TPS542951EVM 上转换器 1 的负载调整率如图 4 - 5 所示，且该转换器的负载调整率与转换器 2 的负载无关。
• 转换器 2 的负载调整率：TPS542951EVM 上转换器 2 的负载调整率如图 4 - 6 所示，对于 5V 输入电压，转换器 2 在 EVM 上的表现与转换器 1 的负载有一定相关性。

4.5 线路调整率

• 转换器 1 的线路调整率：如图 4 - 7 所示。
• 转换器 2 的线路调整率：如图 4 - 8 所示。

4.6 负载瞬态响应

• 转换器 1 的负载瞬态响应：如图 4 - 9 所示。
• 转换器 2 的负载瞬态响应：如图 4 - 10 所示。

4.7 输出电压纹波

• 转换器 1 的输出电压纹波：额定满载 2 A 时的输出电压纹波如图 4 - 11 所示；Eco - mode™ 无负载运行时的输出电压纹波如图 4 - 12 所示。
• 转换器 2 的输出电压纹波：额定满载 3 A 时的输出电压纹波如图 4 - 13 所示；Eco - mode™ 无负载运行时的输出电压纹波如图 4 - 14 所示。

4.8 输入电压纹波

TPS542951EVM 的输入电压纹波如图 4 - 15 所示，此时输出电流为 CH1 2 A 和 CH2 3 A 的额定满载电流。

4.9 启动

• 转换器 1 的启动：相对于 (V_{IN}) 的启动波形如图 4 - 16 所示；相对于 EN1 的启动波形如图 4 - 17 所示。
• 转换器 2 的启动：相对于 (V_{IN}) 的启动波形如图 4 - 18 所示；相对于 EN2 的启动波形如图 4 - 19 所示。

五、电路板布局

TPS542951EVM 的电路板布局如图 5 - 1 至图 5 - 6 所示。顶层包含 (V{IN}) 和 (V{OUTx}) 的主电源走线，还有 TPS542951 引脚的连接以及大面积的接地区域，许多信号走线也位于顶层。输入去耦电容尽可能靠近 IC 放置。输入和输出连接器、测试点以及所有组装组件都位于顶层。顶层提供了一个模拟接地（GND）区域，模拟接地（GND）和电源接地（PGND）在顶层靠近 IC 的单点连接。其他层主要是电源接地，但底层有一些走线用于连接 SSx 和 ENx 的测试点。

六、原理图、物料清单和参考资料

6.1 原理图

图 6 - 1 为 TPS542951EVM 的原理图。

6.2 物料清单

数量	参考标号	值	描述	尺寸	零件编号	制造商
1	C11	1 µF	陶瓷电容，16 V，X7R，10%	0603	GRM188R71C105KA12	Murata
4	C1 - 2, C4 - 5	10 µF	陶瓷电容，25 V，X7R，10%	1206	GRM31CR71E106KA12	Murata
0	C12 - 13	open	陶瓷电容，50 V，X7R，10%	0603	GRM188R71H104KA93	Murata
4	C14 - 17	22 µF	陶瓷电容，6.3 V，X7R，10%	1206	GRM31CR70J226KE19	Murata
0	C18 - 19	open	陶瓷电容，6.3 V，X7R，10%	1206	-	-
0	C20 - 21	open	陶瓷电容，50 V，X7R，10%	0603	Std	Std
4	C3, C6 - 8	0.1 µF	陶瓷电容，50 V，X7R，10%	00603	GRM188R71H104KA93	Murata
2	C9 - 10	0.01 µF	陶瓷电容，50 V，X7R，10%	0603	Std	Std
0	D1 - 2	open	肖特基二极管，SMA	-	STD	STD
1	L1	2.2 µH	电源线电感，磁屏蔽，±30%，4.3 A	6.9 × 7.2 mm	SPM6530 - 2R2M	TDK
1	L2	1.5 µH	电源线电感，磁屏蔽，±30%，4.1 A	6.9 × 7.2 mm	SPM6530 - 1R5M	TDK
1	R1	73.2 kΩ	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
2	R11 - 12	0 Ω	贴片电阻，1/16W，5%	0603	STD	STD
2	R13 - 14	10.0 kΩ	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
2	R2, R4	22.1 kΩ	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
1	R3	21.5 kΩ	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
2	R5 - 6	0 Ω	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
0	R7 - 8	open	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
0	R9 - 10	open	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
1	U1	TPS542951PWP	IC，2A/3A，带集成 FET 的双输出全同步降压转换器	TSSOP	TPS542951PWP	TI

当输出电压设置高于 4V 时，C14 - C19 必须更换为具有更高额定电压的电容器。

6.3 参考资料

可参考德州仪器（Texas Instruments）的 TPS542951 3 - A 双通道同步降压开关器带集成 FETs 数据手册。

七、修订历史

从 2012