TPS61175EVM - 326评估模块：高效升压转换器的设计与应用

在电子设计领域，电源管理模块的性能和设计合理性至关重要。今天，我们就来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的TPS61175EVM - 326评估模块，它在升压转换方面有着出色的表现。

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一、模块概述

TPS61175EVM - 326评估模块旨在将5.0V至12.0V的输入电压提升至24V输出，其核心是德州仪器的TPS61175高效升压转换器。该评估模块的主要目标是方便用户评估TPS61175电源解决方案，它通过使用TPS61175可调输出升压转换器、外部肖特基二极管、输入和输出电容器、电感器以及适当的反馈和补偿组件，来实现稳定的24V输出。

二、性能规格

输入为5.0V时

参数	条件	最小值	标称值	最大值	单位
输入电压 (V_{IN})	-	5	-	-	V
平均输入电流 (I_{IN(AVG)})	(I_O = 450 mA)	-	-	2.6	A
开关频率 (f_{SW})	-	-	750	-	kHz
输出电压 (V_O)	-	23(1)	24	25(1)	V
线性调整率	(4.5 V < V_{IN} < 5.5 V)，(I_O = 400 mA)	-	-	1% (Delta VO / Delta V{IN})	-
负载调整率	(V_{IN} = 5 V)，(1 mA < I_O < 450 mA)	-	-	1% (Delta VO / Delta V{IO})	-
输出电压纹波 (Delta V_O(PP))	(I_O = 450 mA)	-	-	75	(mV_{PP})
输出电流 (I_O)	-	1	-	450	mA
负载阶跃 (Delta I_O)	-	-	-	0.35	A
负载压摆率 (Delta I_O / Delta T)	-	-	-	9	A/µs
输出电压下冲 (Delta V_O)	-	-	-	1.1	V
稳定时间 (t_S)	-	-	-	280	µs

输入为12.0V时

参数	条件	最小值	标称值	最大值	单位
输入电压 (V_{IN})	-	12	-	-	V
平均输入电流 (I_{IN(AVG)})	-	-	-	2.6	A
开关频率 (f_{SW})	-	-	750	-	kHz
输出电压 (V_O)	-	23(1)	24	25(1)	V
线性调整率	(11 V < V_{IN} < 13 V)，(I_O = 1.1 A)	-	-	1% (Delta VO / Delta V{IN})	-
负载调整率	(V_{IN} = 12 V)，(1 mA < I_O < 1.2 A)	-	-	1% (Delta V_O / Delta I_O)	-
输出电压纹波 (Delta V_O(PP))	(I_O = 1.2 A)	-	-	250	(mV_{PP})
输出电流 (I_O)	-	1	-	1.2	A
负载阶跃 (Delta I_{TRAN})	-	-	-	0.35	A
负载压摆率 (Delta I_O / Delta T)	-	-	-	9	A/µs
输出电压下冲 (Delta V_{TRAN})	-	-	-	480	mV
稳定时间 (t_S)	-	-	-	300	µs

注：最小和最大值包含1%的电阻容差以及IC反馈参考电压容差。

三、设计示例

以12V至24V非同步升压调节器的设计为例，我们来看看如何进行组件选择和设计。

1. 确定占空比

通过公式 (D{(MIN)}=frac{V{OUT}+V{D}-V{IN(MIN)}}{V{OUT}+V{D}}=frac{24 V + 0.5 V - 12 V}{24 V + 0.5 V}=51 %) 计算得出最小占空比。

2. 计算最大输出电流

假设在 (V{IN} = 12 V) 时，(eta{est} = 90 %) 且 (RPL % = 20 %) ，根据公式 (I{OUT (max )}=frac{V{IN } × I{LIM } times(1 - RPL % / 2) × eta{est }}{V_{OUT }}=frac{12 V × 3 A times(1 - 20 % / 2) × 90 %}{24}=1.2 A) 计算最大输出电流。

3. 选择电感器

设计者选择 (RPL % = 20 %) 和 (f{SW} = 750 kHz) ，并假设 (eta{est} = 90 %) ，通过公式 (L geq frac{eta{est } × V{IN}}{left[f{SW} timesleft(frac{1}{V{OUT } + V{D} - V{IN}} + frac{1}{V{IN}}right)right] × RPL % × P{OUT }}) 计算得出电感值应不小于15.3µH，最终选择22µH的电感器。

4. 设置输出电压

选择 (R2 = 16.2 kOmega) ，通过公式 (R1 = R2 timesleft(frac{V_{OUT }}{1.229 V}-1right)=16.2 k Omega timesleft(frac{24}{1.229 V}-1right)=300 k Omega to 301 k Omega) 来设置输出电压。

5. 设置开关频率

利用数据表中的表1和图13以及一些测试结果，设计者选择143kΩ的电阻来设置750kHz的开关频率。

6. 选择软启动电容

设计者选择了数据表推荐的0.047µF电容。

7. 选择肖特基二极管

为了适应电源输出电压的更高修改，设计者选择了40V额定二极管。考虑到功耗和温度，在实际应用中建议使用更大封装的二极管。

8. 选择输出电容

输出电容需要满足纹波规格和瞬态规格，最终选择3个4.7µF、50V的电容器，以提供接近15µF的输出电容。

9. 补偿控制环路

通过一系列计算和测试，确定补偿网络的参数，以确保系统的稳定性和性能。

四、模块设置与测试结果

1. 输入/输出连接

该模块提供了多个连接点，用于不同电流下的输入和输出连接，以及外部时钟同步信号的应用。例如，J1用于较低输入电流时的输入电源正连接，J2用于较低输出电流时的设备正输出等。

2. 测试结果

测试结果包括效率、启动过程、PWM操作、负载瞬态响应以及环路增益和相位等方面。从测试结果中，我们可以直观地了解模块在不同输入电压和负载条件下的性能表现。

五、电路板布局

电路板布局对于开关模式电源至关重要。该模块的电路板布局将高频噪声的开关节点与对噪声敏感的反馈电路隔离开来，并仔细处理了高频电流环路的布线。具体的布局图展示了顶层组装层、顶层布线、内部层1、内部层2和底层的情况。

六、物料清单和原理图

1. 物料清单

详细列出了模块中使用的各种组件，包括电容器、二极管、电感器、电阻器、测试点、IC等的规格和型号。

2. 原理图

原理图展示了模块的电路连接关系，为进一步的分析和设计提供了基础。

七、注意事项

在使用该评估模块时，需要注意以下几点：

1. 该评估模块仅用于工程开发、演示或评估目的，并非适合一般消费者使用的成品。
2. 操作时应确保输入电压在3V至18V范围内，输出电压在38V范围内，否则可能导致意外操作或不可逆转的损坏。
3. 正常运行时，部分电路组件的外壳温度可能超过125°C，操作时需注意避免烫伤。

通过对TPS61175EVM - 326评估模块的深入了解，我们可以看到它在升压转换方面的强大性能和灵活设计。在实际应用中，我们可以根据具体需求对模块进行适当的修改和优化，以满足不同的电源管理要求。你在使用类似模块时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。