TPS54383降压转换器评估模块使用指南

在电子设计领域，降压转换器是电源管理中常见的组件，而TI的TPS54383降压转换器评估模块（TPS54383EVM）为工程师们提供了一个便捷的平台来评估该转换器的性能。下面将详细介绍这个评估模块的相关内容。

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一、模块概述

1.1 描述

TPS54383EVM是一个双路非同步降压转换器评估模块，它利用12V（±10% / -20%）的稳压总线，能产生两路稳压电源轨，分别为5.0V和3.3V，每路负载电流最大可达2A。该模块旨在展示TPS54383在典型12V总线系统中的应用，同时提供了多个测试点，方便工程师评估其在特定应用中的性能。而且，通过更换部分组件，还能将其修改为其他输入或输出电压。

1.2 应用场景

此模块适用于非隔离低电流负载点和电压总线转换器，在消费电子、液晶电视、计算机外设、数字机顶盒等领域都有广泛的应用。

1.3 特性

• 输入范围：12V（±10% / -20%）
• 输出电压：固定5.0V和3.3V，可通过改变电阻进行调整
• 输出电流：稳态输出电流2A（峰值3A）
• 开关频率：300kHz（由TPS54383固定）
• 电路设计：内部集成开关MOSFET和外部整流二极管，采用双面2层有源PCB（所有组件在顶层，测试点信号在内部层布线）
• 面积：有效转换区域小于2.5平方英寸（1.15” x 2.15”）
• 测试点：方便用于探测开关波形和非侵入式环路响应测试

二、电气性能规格

TPS54383EVM的电气性能规格涵盖输入、输出和系统等多个方面。	类别	参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入特性	输入电压（VIN）	-	9.6	12	13.2	V
	输入电流（IIN）	VIN = 标称值，IOUT = 最大值	1.6	2.0	-	A
	无负载输入电流	VIN = 标称值，IOUT = 0A	12	20	-	mA
	输入欠压锁定（VIN_UVLO）	IOUT = 最小值到最大值	4.0	4.2	4.4	V
输出特性	输出电压1（VOUT1）	VIN = 标称值，IOUT = 标称值	4.85	5.0	5.15	V
	输出电压2（VOUT2）	VIN = 标称值，IOUT = 标称值	3.20	3.3	3.40	V
	线路调整率	VIN = 最小值到最大值	-	-	1%	-
	负载调整率	IOUT = 最小值到最大值	-	-	1%	-
	输出电压纹波（VOUT_ripple）	VIN = 标称值，IOUT = 最大值	-	-	50	mVpp
	输出电流1（IOUT1）	VIN = 最小值到最大值	0	-	2.0	A
	输出电流2（IOUT2）	VIN = 最小值到最大值	0	-	2.0	A
	输出过流通道1（IOCP1）	VIN = 标称值，VOUT = VOUT1 - 5%	3.1	3.7	4.5	A
	输出过流通道2（IOCP2）	VIN = 标称值，VOUT = VOUT2 - 5%	3.1	3.7	4.5	A
系统特性	开关频率（FSW）	-	255	310	375	kHz
	峰值效率（ηpk）	VIN = 标称值	-	90%	-	-
	满载效率（η）	VIN = 标称值，IOUT = 最大值	-	85%	-	-
	最高工作温度范围	VIN = 最小值到最大值，IOUT = 最小值到最大值	0	25	60	°C

需要注意的是，推荐负载电流限制在2A以内，以防止整流二极管表面温度超过65°C。

三、原理图

3.1 排序跳线（JP3）

TPS54383EVM提供一个3针、100密耳的插头和分流器，用于对TPS54383的排序功能进行编程。将JP3分流器置于左侧位置，可将排序引脚连接到BP，当启用Enable 2时，使TPS54383控制器先对通道2进行排序；置于右侧位置，将排序引脚连接到GND，当启用Enable 1时，先对通道1进行排序；移除JP3分流器则禁用排序功能，允许通道1和通道2独立启用。

3.2 启用跳线（JP1和JP2）

该模块提供独立的3针、100密耳插头和分流器，用于操作TPS54383的启用功能。当移除JP3时，将JP1分流器置于左侧位置可将EN1连接到地，开启输出1；将JP2分流器置于左侧位置可将EN2连接到地，开启输出2。当JP3分流器在左侧位置时，将JP2分流器置于左侧位置，先开启输出2，再开启输出1；当JP3分流器在右侧位置时，将JP1分流器置于左侧位置，先开启输出1，再开启输出2。

3.3 测试点描述

测试点标签	用途	说明
TP1	监测输入电压	连接电压表正端到TP1，负端到TP2可测量输入电压
TP2	输入电压的接地端	-
TP3	监测VOUT1电压	连接电压表正端到TP3，负端到TP4可测量输出电压
TP4	VOUT1电压的接地端	-
TP5	通道B环路监测的接地端	-
TP6	通道B环路监测	用于注入信号进行环路响应分析
TP7	通道A环路监测的接地端	-
TP8	通道A环路监测	用于注入信号进行环路响应分析
TP9	监测通道1的开关节点	连接示波器探头到TP9可监测通道1的开关节点电压
TP10	通道1开关节点的接地端	-
TP11	监测器件接地	测量器件引脚电压时，将示波器探头接地端连接到TP11
TP12	监测通道2的开关节点	连接示波器探头到TP12可监测通道2的开关节点电压
TP13	通道2开关节点的接地端	-
TP14	通道A环路监测	用于注入信号进行环路响应分析
TP15	通道A环路监测的接地端	-
TP16	通道B环路监测	用于注入信号进行环路响应分析
TP17	通道B环路监测的接地端	-
TP18	监测VOUT2电压	连接电压表正端到TP18，负端到TP19可测量输出电压
TP19	VOUT2电压的接地端	-

四、测试设置

4.1 设备

• 电压源：输入电压源（VIN）应为0 - 15V的可变直流源，能够提供5A DC电流，连接到J1。
• 仪表：包括0 - 3A的电流表A1，0 - 15V的电压表V1（用于测量VIN），0 - 6V的电压表V2（用于测量VOUT1），0 - 4V的电压表V3（用于测量VOUT2）。
• 负载：输出1负载（LOAD1）应为能够在5.0V下提供0 - 2A DC电流的电子恒流模式负载；输出2负载（LOAD2）应为能够在3.3V下提供0 - 2A DC电流的电子恒流模式负载。
• 示波器：可使用数字或模拟示波器测量VOUT上的纹波电压，设置为1MΩ阻抗、20MHz带宽、交流耦合、1μs/格水平分辨率、10mV/格垂直分辨率。
• 推荐线规：VIN到J1的连接，推荐使用AWG #16线，总长度小于4英尺；J2到LOAD1和J3到LOAD2的连接，推荐使用AWG #18线，总长度小于2英尺。
• 其他：由于评估模块中的组件在工作时可能会发热，建议使用一个能够提供200 - 400 lfm风量的小风扇，以降低组件表面温度，防止用户受伤。

4.2 设备设置

按照图4 - 1所示的基本测试设置进行连接，具体步骤如下：

1. 在静电放电（ESD）工作站工作，确保在给EVM通电前，将任何腕带、靴带或垫子连接到接地端，同时佩戴静电防护服和安全眼镜。
2. 在连接直流输入源VIN之前，建议将源电流限制在最大5.0A，确保VIN初始设置为0V，并按图4 - 1所示连接。
3. 在VIN和J1之间连接电流表A1（0 - 5A范围）。
4. 将电压表V1连接到TP1和TP2。
5. 将LOAD1连接到J2，在施加VIN之前将LOAD1设置为恒流模式，吸收0A电流。
6. 将电压表V2跨接在TP3和TP4上。
7. 将LOAD2连接到J3，在施加VIN之前将LOAD2设置为恒流模式，吸收0A电流。
8. 将电压表V3跨接在TP18和TP19上。
9. 放置风扇并开启，确保空气流过EVM。

4.3 启动/关闭程序

1. 将VIN从0V增加到12V DC。
2. 将LOAD1从0A变化到2A DC。
3. 将LOAD2从0A变化到2A DC。
4. 将VIN从9.6V DC变化到13.2V DC。
5. 将VIN降低到0V DC。
6. 将LOAD1降低到0A。

4.4 输出纹波电压测量程序

1. 将VIN从0V增加到12V DC。
2. 将LOAD1调整到0A到2A DC之间的所需负载。
3. 将VIN调整到9.6V DC到13.2V DC之间的所需负载。
4. 将示波器探头连接到TP3和TP4或TP18和TP19。
5. 测量输出纹波。
6. 将VIN降低到0V DC。
7. 将LOAD1降低到0A。

4.5 控制环路增益和相位测量程序

1. 将1kHz到1MHz的隔离变压器连接到TP6和TP8。
2. 将输入信号幅度测量探头（通道A）连接到TP8。
3. 将输出信号幅度测量探头（通道B）连接到TP6。
4. 将通道A和通道B的接地引线连接到TP5和TP7。
5. 通过隔离变压器在R1上注入30mV或更小的信号。
6. 以10Hz或更低的后置滤波器将频率从1kHz扫描到1MHz。
7. 控制环路增益可通过公式 (20 × LOGleft(frac{ ChannelB }{ ChannelA }right)) 测量。
8. 控制环路相位通过通道A和通道B之间的相位差测量。
9. 对于通道2的控制环路测量，将TP6替换为TP16，TP8替换为TP14，TP5替换为TP17，TP7替换为TP15。
10. 在进行其他测量之前，断开隔离变压器，因为向反馈注入信号可能会干扰其他测量的准确性。

4.6 设备关闭

1. 关闭示波器。
2. 关闭VIN。
3. 关闭LOAD1。
4. 关闭风扇。

五、典型性能数据和特性曲线

5.1 效率

图5 - 1展示了TPS54383EVM在不同输入电压（9.6 - 13.2V）下，VOUT1 = 5.0V和VOUT2 = 3.3V时，效率与负载电流的关系曲线。

5.2 线路和负载调整率

图5 - 2显示了在不同输入电压（9.6 - 13.2V）下，VOUT1 = 5.0V和VOUT2 = 3.3V时，输出电压与负载电流的关系曲线，体现了线路和负载调整率的情况。

5.3 输出电压纹波

图5 - 3给出了在VIN = 13.2V，IOUT1 = IOUT2 = 2A时的输出电压纹波情况。

5.4 开关节点

图5 - 4展示了VIN = 12V，IOUT = 2A时，通道1（TP9）和通道2（TP12）的开关波形。

5.5 控制环路波特图（低线，VIN = 8V）

图5 - 5呈现了TPS54383EVM的增益和相位与频率的关系曲线。

5.6 轻载操作（仅修订版A PCB）

在轻载操作时，当电感电流低于800mA，TPS54383控制器会进入脉冲跳过模式，此时输出纹波电压会增加。表5 - 1显示了轻载电流范围内的典型输出纹波情况。

负载电流（A）	VOUT1纹波（mV）	VOUT2纹波（mV）	脉冲跳过（是/否）
0.0	105	61	是
0.1	94	72	是
0.2	120	75	是
0.3	136	92	是
0.4	117	94	是
0.5	34	20	否
0.6	26	18	否
0.7	28	19	否
0.8	28	21	否
0.9	29	22	否
1.0	29	22	否

六、EVM组装图纸和布局

图6 - 1至图6 - 6展示了TPS54383EVM印刷电路板的设计。该EVM采用4层、2盎司覆铜电路板，尺寸为3.0” x 3.0”，所有组件位于顶层的1.15” x 2.15”有效区域内，所有有源走线分布在顶层和底层，方便用户在实际双面应用中轻松查看、探测和评估TPS54383控制设备。对于空间受限的系统，将组件移到PCB两侧或使用额外的内部层可以进一步减小尺寸。

七、材料清单

表7 - 1列出了TPS54383EVM的材料清单，包括电容、电感、电阻、二极管、接头、测试点和集成电路等组件的详细信息。

八、修订历史

从修订版C（2008年1月）到修订版D（2021年10月），文档更新了表格、图形和交叉引用的编号格式，并更新了用户指南的标题。

通过以上对TPS54383EVM评估模块的详细介绍，相信工程师们能够更好地了解和使用该模块，在实际设计中充分发挥其性能优势。大家在使用过程中有没有遇到过类似模块的其他问题呢？欢迎在评论区交流分享。