探索TPS43061EVM - 198评估模块：性能、测试与设计要点

一、引言

在电子工程师的日常工作中，评估模块是验证和测试芯片性能的重要工具。今天我们要深入探讨的是TPS43061EVM - 198评估模块（PWR198），它为我们展示了TPS43061这款DC - DC同步升压控制器的强大性能。

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1.1 背景知识

TPS43061是一款专为输入电压源在4.5V至38V、最大输出电压60V设计的DC - DC同步升压控制器。它拥有5.5V的栅极驱动电源，优化后可与低Qg的NexFET配合使用。评估模块的额定输入电压范围为6V至12.6V，输出电流范围为0A至2A。该模块的开关频率外部设定为标称750kHz，外部高端和低端FET的栅极驱动电路集成在TPS43061封装内。PWR198使用了集成高端和低端FET的CSD86330Q3D NexFET功率模块。通过外部电感DCR或电阻电流感应，可实现可调的逐周期电流限制。补偿组件位于集成电路（IC）外部，外部电阻分压器可实现可调输出电压。此外，TPS43061还通过外部电阻分压器提供带迟滞的可调欠压锁定、通过外部电容实现可调慢启动时间以及电源良好输出电压指示。基于所选外部组件，PWR198的绝对最大输入电压为25V。

1.2 性能规格总结

规格	测试条件	MIN	TYP	MAX	单位
VIN电压范围		6		12.6	V
输出电压设定点			15		V
输出电流范围	VIN = 6V至12.6V	0		2	A
线性调节率	IOUT = 2A，VIN = 6V至12.6V	±0.1%
负载调节率	VIN = 9V，IOUT = 0.001A至2A	±0.1%
负载瞬态响应	IOUT = 0.5A至1.5A（电压变化）		- 300		mV
	IOUT = 0.5A至1.5A（恢复时间）		400		µs
	IOUT = 1.5A至0.5A（电压变化）		210		mV
	IOUT = 1.5A至0.5A（恢复时间）		400		µs
环路带宽	VIN = 9V，IOUT = 2A		19		kHz
相位裕度	VIN = 9V，IOUT = 2A		68		°
输入电压纹波	IOUT = 2A		10		mVpp
输出电压纹波	IOUT = 2A		70		mVpp
输出上升时间			25		ms
工作频率			750		kHz
峰值效率	TPS43061EVM - 198，VIN = 12V，IOUT = 2A		97%
DCM阈值	VIN = 9V		360		mA
脉冲跳过阈值	VIN = 9V		12		mA
无负载输入电流	VIN = 9V		1.3		mA
UVLO启动阈值			5.3		V
UVLO停止阈值			4.3		V

1.3 模块修改

该评估模块可以进行一些修改，以满足不同的设计需求。

• 输出电压设定点：要改变EVM的输出电压，需要改变电阻R8的值。可以使用公式(R{C S}=frac{V{C S} typ }{1.2 × L_{P e a k}})计算特定输出电压下R8的值，建议R9的值接近10kΩ。同时，VIN必须在一定范围内，以确保最小导通时间大于典型的100ns，最小关断时间大于典型的250ns和开关周期的5%中的较大值。
• 电流感应：EVM的默认配置为电阻电流感应。当调整输入电压、输出电压或期望的最大输出电压时，可能需要调整电流感应电阻R16和R17。首先使用公式计算峰值电感电流，然后使用公式(C{S S}=frac{t{S S} × I{S S}}{V{R E F}})计算所需的电流感应电阻。对于电感DCR电流感应，R14应开路，而R15、R16和R17应短路。
• 慢启动时间：通过改变C7的值来调整慢启动时间。可以使用公式(C{S S}=frac{t{S S} × I{S S}}{V{R E F}})根据期望的慢启动时间计算所需的电容值。EVM使用(C7 = 0.1mu F)设置了25ms的慢启动时间。
• 可调UVLO：欠压锁定（UVLO）可以通过R3和R4进行外部调整。EVM使用(R3 = 221kΩ)和(R4 = 59.0kΩ)设置了5.34V的启动电压和4.31V的停止电压。可以使用公式(R{U V L O _L}=frac{R{U V L O _H} × V{E N _D I S}}{V{STOP }-V{E N _D I S}+R{U V L O _H} timesleft(I{E N _p u p}+I{E N _hys }right)})和(R{U V L O{-} H}=frac{V{START } timesleft(frac{V{E N _D I S}}{V{E _ON }}right)-V{STOP }}{I_{ENpup } timesleft(1-frac{V{E N _D I S}}{V{E N _ON }}right)+I{EN_hys }})分别计算不同启动和停止电压下R3和R4所需的电阻值。
• 输入电压轨：EVM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，VIN输入通过R11短路相同。如果需要，可以通过移除R11分离两个输入电压轨，控制逻辑输入电压可以提供给J4，功率级输入电压提供给J6。
• 进一步修改：改变EVM的输入和输出条件会影响设计，可能需要修改电感、输出电容和补偿组件以实现所需的性能。此外，CSD86330Q3D功率模块将输出电压限制在最大推荐输出电压22V。

二、测试设置与结果

2.1 输入/输出连接

EVM包括输入/输出连接器和测试点。必须通过一对20 - AWG电线将能够提供至少6A的电源连接到J6，负载必须通过一对20 - AWG电线连接到J2，最大负载电流能力为2A。应尽量减小电线长度以减少电线中的损耗。测试点TP8用于监测VIN输入电压，TP9提供方便的接地参考；TP3用于监测输出电压，TP4作为接地参考。

2.2 效率

该EVM的效率在负载电流约为2A、VIN = 12V时达到峰值，然后随着负载电流接近最大负载而降低。效率可能会因所选外部MOSFET的漏源电阻随温度变化而在较高环境温度下降低。

2.3 输出电压调节

负载调节和线性调节的测量结果表明，在环境温度为25°C时，EVM具有良好的电压调节性能。

2.4 负载瞬态和环路响应

EVM对负载瞬态的响应显示，在输入电压为9V时，从25%到75%的最大额定负载电流阶跃下，总峰 - 峰电压变化包括输出纹波和噪声。环路响应特性展示了在VIN电压为9V、负载电流为2A时的增益和相位图。

2.5 输出电压纹波

分别展示了连续导通模式（CCM）、不连续导通模式（DCM）和脉冲跳过模式下的输出电压纹波。

2.6 输入电压纹波

展示了CCM和DCM下的输入电压纹波。

2.7 启动

启动波形显示了输入电压上升时，VCC和VOUT轨的初始上升情况，以及达到欠压锁定阈值后设备开始切换，输出电压上升到设定值15V的过程。

2.8 关机

关机波形显示了输入电压移除或EN接地时，TPS43061关闭，PGOOD拉低，输出电压下降的过程。

2.9 栅极驱动信号

展示了高端和低端FET的栅极驱动信号与开关节点的情况。

三、原理图与物料清单

3.1 原理图

提供了EVM的原理图，帮助工程师了解电路的连接和工作原理。

3.2 物料清单

详细列出了EVM的物料清单，包括电容、电阻、电感、MOSFET、IC等组件的数量、参考设计号、值、描述、尺寸、零件号和制造商等信息。

四、电路板布局

4.1 布局

EVM的电路板设计有4层2 - oz铜。顶层包含VIN、VOUT和SW的主要功率走线，以及所有其他组件，方便用户查看、探测和评估TPS43061控制IC。其余三层有额外的铜用于VIN、VOUT、AGND和PGND，并通过多个过孔连接。所有对噪声敏感的模拟电路应尽可能靠近IC放置，输出电容应靠近Q1放置以限制高频开关电流路径的长度，SW铜面积应尽量小以限制高频开关电压节点的辐射噪声。

4.2 估计电路面积

通过勾勒设计中使用的组件及其之间的布线，估计印刷电路板面积为(0.91in^{2}(590mm^{2}))，该面积不包括测试点或连接器。由于设计使用0603组件便于修改且所有组件都放置在一层，面积可能会进一步减小。

五、使用注意事项

在使用TPS43061EVM - 198评估模块时，需要注意以下几点：

• 用户需承担正确和安全处理货物的全部责任和义务，并赔偿TI因货物处理或使用产生的所有索赔。
• 若评估板不符合用户指南中的规格，可在交付日期起30天内退货以获得全额退款。
• 该评估板仅用于实验室/开发环境中的初步可行性评估，不适合作为成品消费产品使用。
• 操作时应在TI推荐的规格和环境条件内进行，超出指定的EVM额定值可能会导致财产损失、人身伤害或死亡。
• 对于安全关键或生命关键应用，需特别通知TI并签订单独的保证和赔偿协议。

总之，TPS43061EVM - 198评估模块为工程师提供了一个全面了解和测试TPS43061控制器性能的平台。通过合理的修改和正确的使用方法，工程师可以根据实际需求优化电路设计，实现更好的性能。大家在实际使用中是否遇到过类似评估模块的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。