TPS65161EVM - 194评估模块：功能、使用与设计要点

在电子设计领域，电源模块的性能和稳定性对于整个系统的正常运行至关重要。TPS65161EVM - 194评估模块（EVM）就是这样一款能为TV监视器和TFT LCD面板提供关键偏置电源电压的产品。接下来，我们将深入了解它的功能、使用方法以及设计中的一些要点。

文件下载：TPS65161EVM-194.pdf

一、模块概述

TPS65161EVM - 194接收8 - 14V的输入轨，能提供TV监视器和TFT LCD面板通常所需的四种偏置电源电压。它集成了一个带集成低端FET的升压转换器、一个带集成高端FET的降压转换器、一个正电荷泵控制器和一个负电荷泵控制器，每个电荷泵控制器都需要外部肖特基二极管。升压和降压转换器的支持性无源组件包括电感器和电容器，而电荷泵的支持性无源组件则主要是电容器。

二、性能规格

2.1 详细参数

在环境温度为25°C时，该模块的性能规格如下：	规格	电压范围（V）			电流范围（mA）
	最小	典型	最大	最小	典型	最大
VIN	11.4	12	12.6	5000
VS	17.5	18	18.6			1300
VGL	–5.2	–5	–4.8		50	135 (1)
VLOGIC	3.15	3.3	3.32			2300
VGH	30.6	32 (2)	33.1		50	75 (3)

注：(1) VGx在该输出电流下下降3%。由于电荷泵由VS驱动，增加其输出电流会降低VS的最大可用输出电流。这些测量是在假设VS无外部负载的情况下进行的。(2) 假设SUP = VS。(3) 同(1)。

2.2 电源定制

用户可以通过更改数据手册（SLVS617）中列出的适当反馈电阻来改变每个轨的稳压输出电压，但需注意不要超过数据手册中每个输出的最大电压规格。此外，还可以使用替代的电容器、电感器和/或二极管。在使用替代电容器时，要确保使用数据手册中推荐的最小电容值，并保证电容器的电压额定值合适。开关转换器设计为使用陶瓷输出电容器，使用具有较大等效串联电阻（ESR）的非陶瓷输出电容器可能会导致输出纹波增大或电感式开关转换器运行不稳定。每个电荷泵的飞跨电容器和输出电容器必须是陶瓷输出电容器。选择替代电感器时，要使用数据手册中的设计方程来确保选择合适的电感值，并保证电感器的电流额定值适合所需的输出电流。使用额定电流较高的电感器可以使每个电感式开关提供更多的输出电流，但可能需要更高额定的输入电源，而且使用直流电阻较大的电感器会导致效率降低。使用替代二极管时，要确保二极管的额定值满足预期的峰值电流和功率设计方程。

2.3 输入 - 输出隔离

非同步升压转换器存在从输入到输出（即VIN到VS）的路径。如果正电荷泵的高端二极管（D4D6）连接到VS，该路径会延伸到正电荷泵的输出（VGH）。TPS65161提供了一个栅极驱动（GD）引脚，用于控制外部PMOS FET开关和支持性无源组件，以实现输入 - 输出隔离。GD引脚是一个开漏输出，当升压转换器的输出电压在其标称稳压输出电压的8%以内时，GD引脚被锁存为低电平；当EN2引脚被拉低时，GD引脚变为高阻抗。EVM上未安装MOSFET（Q1）和支持性无源组件（C23、C26、R12和R15），开关Q1由一个零欧姆电阻（R13）短路。物料清单为用户提供了添加这些组件时的推荐值。

2.4 电荷泵短路保护

提供VGH的正电荷泵电路没有内部短路保护。如果需要短路保护，可以用以下方程计算出的电阻值替换零欧姆电阻R2： [R 2=left(V{S}-V{S C H O T T K Y}right) / I_{S C-V G H}] 其中，ISC - VGH是每个电荷泵所需的短路电流水平。需要注意的是，最大输出电流将被限制在大约ISC - VGH / 2。

三、设置与测试结果

3.1 连接与跳线

EVM要在表1的规格范围内运行，需要使用默认的跳线设置。各跳线的功能如下：

• J1 - VGH IN：用于将正电荷泵的高端外部二极管连接到输入 - 输出隔离MOSFET（Q1）之前（OS）或之后（VS）。由于EVM上的隔离MOSFET被短路，J1放在任何位置结果都相同。如果安装了Q1，建议将J1置于VS位置，使正电荷泵也具有输入 - 输出隔离。
• J2 - EN2：中间引脚连接到升压转换器和正电荷泵的使能引脚。当EN2连接到VIN时，升压转换器和正电荷泵在降压转换器达到稳压且DLY2设置的延迟时间过去后启动；当EN2连接到GND时，升压转换器和正电荷泵被禁用。EN2引脚必须连接到VIN或GND，不能浮空。
• J3 - EN1：中间引脚连接到降压转换器和负电荷泵的使能引脚。当EN1连接到VIN时，降压转换器启动，经过DLY1设置的延迟时间后，负电荷泵启动；当EN1连接到GND时，降压转换器和负电荷泵被禁用。EN1引脚必须连接到VIN或GND，不能浮空。
• J4 - FREQ：中间引脚连接到IC的FREQ引脚。当FREQ连接到VIN时，开关频率为750 kHz；当FREQ连接到GND时，开关频率为500 kHz。FREQ引脚必须连接到VIN或GND，不能浮空。默认连接是FREQ连接到750 kHz（VIN）。
• J5 - VIN和GND：输入电源正极和接地回路连接必须连接到J5。
• J6 - VGL和GND：为负电荷泵提供输出电压和接地回路连接。
• J7 - V_LOGIC和GND：为降压转换器提供输出电压和接地回路连接。
• J8 - VGH Boost：中间引脚连接到J10的输出引脚。当该跳线连接到2X时，电荷泵的外部传输二极管（D4D6）连接到J10（VGH输出头），电荷泵作为电压倍增器工作；当连接到3X时，传输二极管连接到一个额外的电荷泵级（D4 - D7，C17，C16）。如果适当修改电阻分压器，电荷泵可作为电压三倍器工作。默认连接是VGH连接到2X。
• J9 - VGH和GND：为正电荷泵提供输出和接地回路连接。
• J10 - VS和GND：为主要升压转换器提供输出和接地回路连接。
• J11 - SUP：中间引脚连接到SUP引脚，为两个电荷泵提供驱动。在大多数应用中，SUP必须连接到OS，以使正电荷泵获得尽可能高的电压。由于SUP引脚的最大额定电压为15 V，当VS大于15 V时，SUP必须连接到VIN。默认连接是SUP连接到OS。

3.2 推荐测试设置

至少连接一个额定5A、设置为提供12 V ± 5%的电源到J5，不要超过15 V。虽然输入电压低至8 V也可以工作，但最大输出电流水平会降低。可以使用电压表和/或带有标准高阻抗电压探头的示波器来监测输出电压。在使用J2和J3启用设备跳线之前，用户必须确保J4、J8和J11处于默认位置。当使用J3将EN1连接到VIN时，降压转换器启动，经过DLY1设置的延迟时间后，负电荷泵启动；当使用J2将EN2连接到VIN时，升压转换器和正电荷泵在降压转换器达到稳压且DLY2设置的延迟时间过去后启动。经过适当的软启动时间和相对延迟后，输出电压达到各自的稳压电压（见表1）。可以在每个输出头（J6用于VGL，J7用于VLOGIC，J8用于VGH，J10用于VS）连接电阻性或电子负载。如果每个输出的负载超过表1中规定的值，输出电压将超出稳压范围。

3.3 测试结果

文档中给出了升压转换器效率、降压转换器效率和EN2 = VIN时的上电时序等测试结果的相关图表，但未详细给出具体数据。这些测试结果可以帮助工程师了解模块在不同工作条件下的性能表现。

四、电路板布局

4.1 布局建议

PCB布局在电源设计中是一个重要步骤。不良的布局可能会导致转换器不稳定、负载调节问题、噪声和EMI问题。特别是对于高负载电流的开关型DC - DC转换器，过细的PCB走线可能会导致显著的电压尖峰，良好的接地变得尤为重要。如果可能，建议使用公共接地平面来最小化模拟地（GND）和电源地（PGND）之间的接地偏移。在设计基于TPS65161的电源时，强烈推荐以下设计准则：

• 分离AVIN和VINB的电源走线，并使用单独的旁路电容器。
• 使用短而宽的走线将OS引脚连接到升压转换器的输出。
• 对于VGH和VGL的电荷泵驱动引脚（DRN，DRP）使用短走线，因为这些走线承载开关波形。
• 将电荷泵飞跨电容器尽可能靠近DRP和DRN引脚放置。
• 将电荷泵肖特基二极管尽可能靠近IC以及与DRP和DRN连接的飞跨电容器放置。
• 将负电荷泵的反馈网络远离负电荷泵的驱动引脚走线（DRN），以避免耦合到反馈网络。使用FREQ引脚和走线将DRN与FBN隔离。
• 将电感式开关转换器的肖特基二极管尽可能靠近SW引脚放置，以最小化开关尖峰。

4.2 电路板层

文档展示了TPS65161EVM - 194的顶部组装层、顶层和底层的布局图，这些图可以帮助工程师直观地了解电路板的结构和组件布局。

五、原理图和物料清单

5.1 原理图

文档提供了TPS65161EVM - 194的原理图，这对于理解模块的电路结构和工作原理非常有帮助。工程师可以根据原理图进行电路分析和故障排查。

5.2 物料清单

物料清单详细列出了模块中使用的各种组件，包括电容器、电感器、二极管、电阻器、IC等的数量、参考编号、值、描述、尺寸、零件编号和制造商等信息。这对于采购组件和进行电路板组装非常重要。

六、注意事项

6.1 适用范围

该评估板/套件仅用于工程开发、演示或评估目的，不被视为适合一般消费者使用的成品。处理该产品的人员必须具备电子培训，并遵守良好的工程实践标准。

6.2 安全警告

• 要在8 - 14V的输入电压范围和 - 40 - 20V的输出电压范围内操作EVM。超过指定的输入范围可能会导致意外操作和/或对EVM造成不可逆转的损坏。如果对输入范围有疑问，请在连接输入电源之前联系TI现场代表。
• 施加超出指定输出范围的负载可能会导致意外操作和/或对EVM造成永久性损坏。在将任何负载连接到EVM输出之前，请查阅EVM用户指南。如果对负载规格不确定，请联系TI现场代表。
• 在正常运行期间，一些电路组件的外壳温度可能会超过125°C。只要保持输入和输出范围，EVM设计为在某些组件高于85°C的情况下仍能正常运行。这些组件包括但不限于线性稳压器、开关晶体管、传输晶体管和电流感测电阻器。可以使用EVM用户指南中的EVM原理图来识别这些设备。在操作过程中，将测量探头靠近这些设备时，要注意这些设备可能会很烫。

总之，TPS65161EVM - 194评估模块为工程师提供了一个方便的平台来评估和开发适用于TV监视器和TFT LCD面板的电源解决方案。通过了解其性能规格、使用方法、布局要点和注意事项，工程师可以更好地利用该模块进行设计和测试。你在使用类似电源模块时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。