CSD86350Q5DEVM - 604 評(píng)估模塊技術(shù)解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。今天我們來深入探討一下德州儀器（Texas Instruments）的 CSD86350Q5DEVM - 604 評(píng)估模塊，看看它能為我們帶來怎樣的電源解決方案。

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一、模塊概述

CSD86350Q5DEVM - 604 是一款同步降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊，采用了德州儀器的 NexFET? 功率模塊技術(shù)，旨在提供高電流、超高密度的電源解決方案。該模塊能夠在 92% 以上的效率下，從 12V 標(biāo)稱輸入總線輸出 1.2V、25A 的穩(wěn)定電壓。其設(shè)計(jì)亮點(diǎn)在于僅需單電源供電，無需額外的偏置電壓，使用 TPS51218 高性能、中輸入電壓同步降壓控制器和 NexFET? 功率模塊，優(yōu)化了整體解決方案的效率和功率密度。

二、應(yīng)用場(chǎng)景與特性

應(yīng)用場(chǎng)景

1. 同步降壓轉(zhuǎn)換器：適用于高頻應(yīng)用以及高電流、低占空比應(yīng)用。
2. 多相同步降壓轉(zhuǎn)換器：可滿足多相電源系統(tǒng)的需求。
3. 負(fù)載點(diǎn)（POL）DC - DC 轉(zhuǎn)換器：為特定負(fù)載提供穩(wěn)定的電源。

特性

1. 寬輸入電壓范圍：輸入電壓額定值為 8V 至 13V，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
2. 穩(wěn)定輸出：輸出電壓為 1.2V，可提供 25A 的穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流。
3. 適中的開關(guān)頻率：開關(guān)頻率為 290kHz，在效率和性能之間取得了較好的平衡。
4. 便捷的測(cè)試與控制：可以方便地訪問 IC 的使能、電源良好和開關(guān)節(jié)點(diǎn)等功能，還設(shè)有方便的測(cè)試點(diǎn)，可進(jìn)行非侵入式的轉(zhuǎn)換器性能測(cè)量，包括輸入紋波、輸出紋波和開關(guān)節(jié)點(diǎn)等。

三、電氣性能規(guī)格

輸入特性

輸出特性

系統(tǒng)特性

四、連接器、跳線和測(cè)試點(diǎn)說明

輸入電源（J1）

用于連接 12V 輸入電源，正電壓連接到引腳 2，返回連接到引腳 1。要注意選擇合適的電線尺寸，推薦使用 AWG #16 電線，總長度小于 2 英尺。

輸出電源（J2）

用于連接 1.2V 輸出電源，正負(fù)載連接到引腳 2，返回負(fù)載連接到引腳 1。推薦使用 AWG #12 電線，總長度小于 2 英尺。

5V 偏置跳線（JP1）

模塊包含一個(gè)板載 5V 偏置穩(wěn)壓器（TPS71550 線性穩(wěn)壓器）為 TPS51218 控制器供電。插入 (JP1) 中的分流器可使用板載穩(wěn)壓器；移除分流器后，用戶可在 (JP1) 的引腳 2 上施加 4.5V 至 6.5V 的外部偏置電壓，該電壓需能提供 15mA 的電流，其接地參考為 (TP5)。

禁用跳線（JP2）

安裝 (JP2) 中的分流器可關(guān)閉 TPS51218 并禁用電源；移除分流器可將 TPS51218 的 (EN) 引腳拉高到 5V 以啟用 TPS51218。

MODE 跳線（JP3）

用于選擇 TPS51218 的操作模式。將分流器安裝在 (JP3) 的“Auto - Skip”位置（引腳 2 和 3 之間），通過 (R6) 將 (RF) 引腳連接到 (GND)，可提高輕載時(shí)的效率；安裝在“CCM”位置（引腳 1 和 2 之間），通過 (R6) 將 (RF) 引腳連接到 (PGOOD)，可在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)保持恒定的開關(guān)頻率。

測(cè)試點(diǎn)說明

五、測(cè)試設(shè)置

設(shè)備要求

1. 電壓源：輸入電壓源 (V_{IN}) 應(yīng)為 0V 至 15V 的可變直流源，能夠提供 5A 的電流。
2. 儀表：包括 0A 至 5A 的輸入電流表 (A1)、0V 至 15V 的輸入電壓表 (V1) 和 0V 至 2V 的輸出電壓表 (V2)。
3. 負(fù)載：輸出負(fù)載 (LOAD) 為電子負(fù)載，可設(shè)置為恒流或恒阻模式，能夠在 1.2V 下提供 0A 至 25A 的電流。
4. 示波器：用于輸出電壓紋波測(cè)量時(shí)，應(yīng)設(shè)置為交流耦合測(cè)量，帶寬限制為 20MHz，垂直分辨率為 20mV/ 格，水平分辨率為 1μs/ 格；用于開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形測(cè)量時(shí)，應(yīng)設(shè)置為直流耦合測(cè)量，帶寬限制為 20MHz，垂直分辨率為 2V/ 格或 5V/ 格，水平分辨率為 1μs/ 格。
5. 其他：由于模塊在運(yùn)行時(shí)部分組件會(huì)發(fā)熱，建議使用一個(gè)風(fēng)量為 200lfm 至 400lfm 的小風(fēng)扇來降低組件溫度。

設(shè)備設(shè)置步驟

1. 在靜電防護(hù)工作站操作，確保在給模塊供電前，將手腕帶、靴帶或墊子連接到接地端，同時(shí)佩戴靜電服和安全眼鏡。
2. 在連接直流輸入源 (V{IN}) 之前，建議將源電流限制在最大 5A，并將 (V{IN}) 初始設(shè)置為 0V，然后按照推薦的測(cè)試設(shè)置圖進(jìn)行連接。
3. 將 (V{IN}) 連接到 (J1)，在 (V{IN}) 和 (J1) 之間連接電流表 (A1)。
4. 將電壓表 (V1) 連接到 (TP1) 和 (TP2)，電壓表 (V2) 連接到 (TP7) 和 (TP8)。
5. 根據(jù)測(cè)試點(diǎn)說明將示波器探頭連接到所需的測(cè)試點(diǎn)。
6. 放置風(fēng)扇并開啟，確保風(fēng)扇直接向評(píng)估模塊吹風(fēng)。

啟動(dòng)/關(guān)閉程序

1. 在 (JP1) 中安裝分流器。
2. 如有必要，移除 (JP2) 中的分流器。
3. 根據(jù)需要的操作模式驗(yàn)證 (JP3) 的分流器位置。
4. 將 (V_{IN}) 從 0V 增加到 12V。
5. 開啟風(fēng)扇。
6. 將負(fù)載從 0A 變化到 25A。
7. 將 (V_{IN}) 從 8V 變化到 13V。
8. 將負(fù)載減小到 0A。
9. 將 (V_{IN}) 減小到 0V。

輸出紋波電壓測(cè)量程序

1. 在輸出電容 (C12) 的接地端焊接一根母線。
2. 按照啟動(dòng)/關(guān)閉程序的步驟 1 至 7 設(shè)置 (V_{IN}) 和負(fù)載到所需的操作條件。
3. 按照設(shè)備要求設(shè)置示波器進(jìn)行輸出電壓紋波測(cè)量。
4. 使用焊接的母線纏繞在示波器探頭的接地桶上，跨 (C12) 測(cè)量輸出電壓紋波。
5. 按照啟動(dòng)/關(guān)閉程序的步驟 8 和 9 關(guān)閉電源。

設(shè)備關(guān)閉步驟

1. 關(guān)閉示波器。
2. 關(guān)閉負(fù)載。
3. 關(guān)閉 (V_{IN})。
4. 關(guān)閉風(fēng)扇。

六、測(cè)試數(shù)據(jù)

效率

模塊的效率隨負(fù)載電流的變化而變化，在不同輸入電壓下都有較好的表現(xiàn)。在 (V{IN}=8V) 和 (V{IN}=12V)，(V_{OUT}=1.2V)，(MODE = GND) 且無氣流的條件下，效率曲線展示了其在不同負(fù)載下的效率情況。

低負(fù)載效率

在低負(fù)載情況下，模塊同樣能保持較高的效率，這對(duì)于一些輕載應(yīng)用場(chǎng)景非常重要。

輸出電壓紋波

在 (V{IN}=12V)，(V{OUT}=1.2V)，(I_{OUT}=25A) 的條件下，通過不同的測(cè)量方法可以得到輸出電壓紋波的數(shù)據(jù)。需要注意的是，使用特定的測(cè)量方法（如在 (TP7) 和 (TP8) 使用尖端和桶測(cè)量技術(shù)）可能會(huì)因探頭拾取大量輻射噪聲而不準(zhǔn)確，推薦采用焊接母線的方法進(jìn)行測(cè)量。

輸入電壓紋波

在 (V{IN}=12V)，(V{OUT}=1.2V)，(I_{OUT}=25A) 的條件下，測(cè)量得到輸入電壓紋波的數(shù)據(jù)，這有助于評(píng)估模塊對(duì)輸入電源的穩(wěn)定性要求。

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

當(dāng)負(fù)載從 12.5A 變化到 25A 時(shí)，模塊能夠快速響應(yīng)，輸出電壓的波動(dòng)在可接受的范圍內(nèi)，展示了其良好的動(dòng)態(tài)性能。

啟動(dòng)特性

模塊在 (V_{IN}) 上電和 (EN) 引腳使能時(shí)的啟動(dòng)情況都有相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)，這對(duì)于了解模塊的啟動(dòng)過程和穩(wěn)定性非常重要。

熱成像

在 (V{IN}=12V)，(V{OUT}=1.2V)，(I_{OUT}=25A) 且無氣流的條件下，熱成像圖展示了模塊各部分的溫度分布情況，有助于評(píng)估模塊的散熱性能。

七、模塊修改

開關(guān)頻率

輸出電壓

可以通過改變 (R8) 的值來改變模塊的輸出電壓，但輸出電壓不應(yīng)設(shè)置高于 1.9V，否則可能會(huì)損壞模塊。計(jì)算公式如下： [R8=frac{frac{V{OUT}-(I{ripple}×2mOmega)}{2}-0.7}{0.7}×R7] [I{ripple}=frac{(V{IN}-V{OUT})×V{OUT}}{L×f{SW}×V{IN}}]

柵極驅(qū)動(dòng)電阻

增加電阻 (R1) 和/或 (R9) 的值可以減慢高端 MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)，從而減少開關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴，但會(huì)導(dǎo)致效率略有降低和工作溫度升高。

八、組裝圖紙和布局

模塊采用 4 層、2oz. 銅的印刷電路板設(shè)計(jì)，尺寸為 3" × 3"，所有組件都安裝在頂層，方便用戶查看、探測(cè)和評(píng)估 CSD86350Q5D 解決方案。如果對(duì)空間有嚴(yán)格要求，也可以將組件安裝在 PCB 的兩側(cè)以進(jìn)一步減小尺寸。

九、物料清單

模塊的物料清單詳細(xì)列出了各個(gè)組件的參數(shù)和型號(hào)，包括電容、電感、MOSFET、電阻、IC 等，為工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)和維護(hù)提供了參考。

十、注意事項(xiàng)

1. 該評(píng)估模塊僅用于工程開發(fā)、演示或評(píng)估目的，并非適合一般消費(fèi)者使用的成品。
2. 操作時(shí)需確保在輸入電壓范圍 8V 至 13V 和輸出電壓不超過 1.9V 的范圍內(nèi)，否則可能導(dǎo)致意外操作或不可逆的損壞。
3. 由于模塊的開放式結(jié)構(gòu)，用戶需要采取適當(dāng)?shù)撵o電放電防護(hù)措施。
4. 模塊在正常運(yùn)行時(shí)，部分電路組件的外殼溫度可能會(huì)超過 60°C，只要保持輸入和輸出范圍在規(guī)定范圍內(nèi)，模塊仍能正常工作。

CSD86350Q5DEVM - 604 評(píng)估模塊為電子工程師提供了一個(gè)高性能、高集成度的電源解決方案。通過對(duì)其特性、性能和使用方法的深入了解，我們可以更好地將其應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。