TPS40100 Buck控制器評估模塊使用指南

一、引言

TPS40100EVM - 001評估模塊（EVM）是一款同步降壓轉(zhuǎn)換器，它能從12V輸入總線提供高達(dá)10A的3.3V固定輸出。該模塊設(shè)計為可從單個輸入電源啟動，無需額外的偏置電壓，采用了TPS40100中壓輸入同步降壓控制器。

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二、模塊描述

2.1 應(yīng)用領(lǐng)域

該評估模塊適用于非隔離中電流負(fù)載點和低壓總線轉(zhuǎn)換器、商用電源模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電信設(shè)備以及直流電源分布式系統(tǒng)等領(lǐng)域。

2.2 模塊特性

• 輸入輸出范圍：輸入范圍為10.8V - 13.2V，輸出為3.3V固定電壓，穩(wěn)態(tài)輸出電流可達(dá)10A。
• 功能特性：支持輸出裕度上下調(diào)節(jié)、跟蹤電壓輸入以支持同步排序、具備電源良好指示、頻率同步輸入和遠(yuǎn)程感應(yīng)方案。
• 設(shè)計特點：開關(guān)頻率為380kHz，采用單個主開關(guān)MOSFET和單個同步整流MOSFET，單組件面、表面貼裝設(shè)計，3.0英寸×3.25英寸評估板，四層PCB且所有組件都在頂層，方便測試關(guān)鍵波形和進(jìn)行全環(huán)路分析。

2.2.1 遠(yuǎn)程感應(yīng)功能（J3）

遠(yuǎn)程感應(yīng)可通過補(bǔ)償端子連接和負(fù)載線電阻的損耗，提供更精確的負(fù)載調(diào)節(jié)。但要注意，長布線連接可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)不規(guī)則行為，如脈沖寬度抖動或紋波電壓振蕩。若出現(xiàn)此類情況，需檢查設(shè)置并進(jìn)行調(diào)整。

2.2.2 同步跟蹤功能（J3）

該評估模塊具備展示TPS40100跟蹤功能的能力，還可配置多個TPS40100EVM進(jìn)行跟蹤。電壓跟蹤功能使TPS40100能夠跟蹤外部斜坡，以滿足許多微處理器和內(nèi)存應(yīng)用的需求。

2.2.3 使能功能（SW2）

評估模塊配備了使能/禁用開關(guān)。關(guān)閉S1會將TPS40100的UVLO引腳拉低，從而禁用設(shè)備；打開S1且輸入電壓合適時，設(shè)備將被啟用。J3引腳4是使能監(jiān)控引腳，方便用戶觀察。

2.2.4 裕度上下調(diào)節(jié)功能（J4）

該功能允許用戶將轉(zhuǎn)換器的輸出上下調(diào)節(jié)3%或5%，評估模塊通過方便的跳線設(shè)置實現(xiàn)輸出電壓的微調(diào)。

2.2.5 電源良好指示（J1）

評估模塊包含一個電源良好引腳，用于提供“電源正?！?a target="_blank">信號。當(dāng)軟啟動激活、跟蹤激活、反饋電壓超出特定范圍、欠壓鎖定電壓過低、過流情況存在或芯片溫度超過165°C時，該引腳將拉低。用戶可使用示波器監(jiān)測該引腳的行為。

2.2.6 同步功能（J1）

兩個TPS40100 - EVM可同步到一個頻率高于自由運行PWM時鐘的外部時鐘源，這有助于輸入濾波器設(shè)計。建議同步頻率不超過自由運行頻率的120%，該評估模塊開關(guān)頻率為370kHz，因此同步引腳的外部頻率不應(yīng)超過470kHz。

三、電氣性能規(guī)格

四、測試設(shè)置

4.1 設(shè)備準(zhǔn)備

• 電壓源（VIN）：采用0 - 15V可變直流電源，能夠提供5A電流，連接到J2。
• 儀表：配備0 - 5A直流電流表、0 - 15V電壓表和0 - 5V電壓表。
• 負(fù)載（LOAD1）：使用電子恒流模式負(fù)載，能夠在3.3V下提供0 - 10A電流。
• 推薦線規(guī)：VIN到J2的連接推薦使用AWG #16線，J5到LOAD1的功率連接也推薦使用AWG #16線，J2到LOAD1的遠(yuǎn)程感應(yīng)線推薦使用AWG #22線，且長度不超過6英寸。
• 其他設(shè)備：需要一個200 - 400 LFM的小風(fēng)扇來降低組件表面溫度，以及一臺60MHz或更快的示波器和一個能夠提供0 - 5V方波、頻率超過400kHz的函數(shù)發(fā)生器。

4.2 設(shè)備設(shè)置

4.2.1 初始跳線和開關(guān)設(shè)置

評估模塊默認(rèn)設(shè)置如下：使能開關(guān)（S1）在引腳2和3之間斷開（使能位置）；跟蹤使能跳線（J8）在引腳1和2之間短路，禁用跟蹤功能；跟蹤啟動開關(guān)（S2）在引腳2和3之間斷開，使跟蹤斜坡充電；遠(yuǎn)程感應(yīng)跳線（J6和J7）在引腳2和3之間短路，啟用本地連接器感應(yīng)；裕度跳線處于禁用位置。

4.2.2 操作步驟

1. 在靜電防護(hù)工作站工作，確保佩戴防靜電腕帶、使用防靜電墊等接地措施，穿戴靜電服和安全眼鏡。
2. 連接直流輸入源VIN前，將源電流限制在最大5.0A，初始將VIN設(shè)置為0V并按圖連接。
3. 在輸入電源正極輸出和評估模塊正極輸入（J2，引腳1）之間連接電流表。
4. 將電壓表#1連接到TP3和TP4，用于監(jiān)測評估模塊輸入電源。
5. 將LOAD1連接到J5，在施加輸入電壓前將LOAD1設(shè)置為恒流模式，電流為0A。
6. 將電壓表#2連接到TP13和TP14，用于監(jiān)測評估模塊輸出電源（本地感應(yīng)）。
7. 移除示波器探頭護(hù)套，按圖放置探頭，TP17和TP18用于測量紋波電壓和瞬態(tài)響應(yīng)。
8. 放置風(fēng)扇并打開，確?？諝饬鬟^評估模塊。

4.2.3 啟動和關(guān)閉程序

啟動：將VIN從0V增加到12V，觀察VOUT是否達(dá)到標(biāo)稱電壓，調(diào)節(jié)LOAD1從0A到10A，調(diào)節(jié)VIN從10.8V到13.2V。 關(guān)閉：將LOAD1減小到0A，將VIN減小到0V。

4.2.4 設(shè)備關(guān)閉

依次關(guān)閉示波器、LOAD、VIN和風(fēng)扇。

4.3 其他測試

4.3.1 調(diào)整輸出電壓（R1和R3）

可通過改變反饋電阻R1和R3的值來調(diào)整輸出電壓。相關(guān)公式如下： [R{PARALLEL}=frac{R1 × R3}{R1 + R3}] [V{OUT}=V{REF}left[frac{R12 + R17}{R{PARALLEL}}+1right]] [R{PARALLEL}=left[frac{V{REF}}{V{OUT}-V{REF}}right]×(R17 + R12)] 其中(V_{REF}=0.690V)，(R17 = 49.9Ω)，(R12 = 18.2kΩ)。

4.3.2 遠(yuǎn)程感應(yīng)測試設(shè)置

為確保遠(yuǎn)程感應(yīng)功能正常工作，需按以下步驟設(shè)置：

1. 確保遠(yuǎn)程感應(yīng)跳線J7和J8在引腳1和2之間短路。
2. 從J5引腳2（+Vout）到負(fù)載正極連接不超過6英寸的負(fù)載線，從J5引腳3（RTN）到負(fù)載負(fù)極連接相同長度的線，推薦使用AWG #16線。
3. 從J5引腳1到負(fù)載正極連接不超過6英寸的感應(yīng)線，推薦使用AWG #22線。
4. 從J5引腳4到負(fù)載負(fù)極連接不超過6英寸的感應(yīng)線，推薦使用AWG #22線。
5. 使用電壓表監(jiān)測TP13和TP14的電壓，這是負(fù)載處的調(diào)節(jié)電壓。
6. 監(jiān)測J5引腳2和3的電壓，這是輸出連接器處的電壓，會隨負(fù)載增加而升高。
7. 將負(fù)載設(shè)置為0A恒流，兩個監(jiān)測點的電壓應(yīng)接近相同。
8. 逐漸增加負(fù)載，觀察監(jiān)測點電壓的差異，負(fù)載處將調(diào)節(jié)到設(shè)定電壓（3.3V），轉(zhuǎn)換器直接輸出電壓會升高以補(bǔ)償負(fù)載線和端子的IR損耗。

4.3.3 電壓跟蹤測試設(shè)置

單EVM演示

1. 將J8（跟蹤使能跳線）的引腳2和3短路。
2. 跟蹤啟動開關(guān)（S2）閉合。
3. 將示波器探頭連接到TRACKING IN引腳（J3引腳1）和VOUT（TP 17和18）。
4. 將負(fù)載連接到評估模塊輸出，設(shè)置為1A - 10A。
5. 以10.8V - 13.2V的輸入電壓給評估模塊供電，等待SS電壓達(dá)到3.5V或等待1 - 2秒。
6. 打開跟蹤啟動開關(guān)（S2），觀察VOUT如何跟蹤TRACKING IN引腳的上升電壓，波形應(yīng)同步。
7. 關(guān)閉跟蹤啟動開關(guān)（S2），觀察VOUT如何跟蹤TRACKING IN引腳的下降電壓，波形應(yīng)同步。

多EVM跟蹤

1. 兩個模塊的跟蹤使能跳線（J8）的引腳2和3短路。
2. 連接每個EVM的J3引腳1。
3. 連接每個EVM的TP16，這是模塊間測試點，可通過S2使任一模塊成為控制EVM。
4. 控制EVM的跟蹤啟動開關(guān)（S2）閉合。
5. 將示波器探頭連接到兩個模塊的TP17和18以及其中一個模塊的J3引腳1，模塊應(yīng)具有共同的輸入電壓和返回。
6. 遠(yuǎn)程感應(yīng)跳線（J6和7）的引腳2和3短路，激活本地輸出感應(yīng)。
7. 施加10.8V - 13.2V的輸入電壓。
8. 等待SS電壓達(dá)到3.5V。
9. 打開控制EVM的跟蹤啟動開關(guān)（S2），觀察監(jiān)測點（兩個EVM輸出和跟蹤輸入電壓），輸出電壓應(yīng)跟隨跟蹤輸入電壓直到達(dá)到調(diào)節(jié)點。
10. 關(guān)閉控制EVM的跟蹤啟動開關(guān)（S2），觀察監(jiān)測點，下降波形應(yīng)重合。

4.3.4 使能和禁用測試設(shè)置

按上述設(shè)備設(shè)置步驟設(shè)置評估模塊，開關(guān)（ENABLE S1）可用于啟用和禁用設(shè)備。關(guān)閉S1將TPS40100的UVLO引腳拉低，禁用設(shè)備；打開S1且輸入電壓合適時，啟用設(shè)備。J3引腳4是使能監(jiān)測引腳。

4.3.5 裕度測試設(shè)置

按圖設(shè)置評估模塊，選擇所需的裕度級別。通過連接J4的指定引腳（3、6、12、15）到相鄰的VIN引腳（2、5、11、14）來啟用所需的裕度級別。

4.3.6 電源良好和同步測試設(shè)置

TPS40100EVM - 100可同步到外部時鐘。按圖設(shè)置評估模塊，J1包含電源良好引腳和同步輸入引腳?？墒褂脭?shù)字萬用表或示波器監(jiān)測電源良好引腳的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)或動態(tài)響應(yīng)。設(shè)置函數(shù)發(fā)生器提供頻率在410kHz - 480kHz之間、0 - 5V方波、50%占空比的信號，施加到同步輸入引腳，觀察低側(cè)MOSFET（Q2）的柵極驅(qū)動，應(yīng)與外部時鐘頻率一致。

五、典型性能數(shù)據(jù)和特性曲線

5.1 效率

展示了不同輸入電壓（10.8V、12.0V、13.2V）下，負(fù)載電流從0A到10A時的效率曲線。

5.2 線性和負(fù)載調(diào)節(jié)

展示了在不同輸入電壓（10.8V、12.0V、13.2V）和負(fù)載電流從0A到10A時的輸出電壓調(diào)節(jié)曲線。

5.3 環(huán)路穩(wěn)定性

展示了在輸入電壓為12V、輸出電壓為3.3V、負(fù)載電流為10A時的環(huán)路響應(yīng)曲線。

六、EVM組裝圖和布局

評估模塊采用4層、2盎司覆銅板、3.0英寸×3.25英寸的電路板設(shè)計，大部分組件在頂層，方便用戶觀察、探測和評估TPS40100控制IC。

七、材料清單

詳細(xì)列出了評估模塊所使用的各種組件，包括電容、電阻、二極管、MOSFET、連接器等的數(shù)量、參考編號、值、描述、尺寸、零件編號和制造商。

八、修訂歷史

記錄了從2005年5月版本到2022年3月版本的修訂內(nèi)容，主要包括表格、圖形編號格式的更新和用戶指南標(biāo)題的更新。

通過以上對TPS40100 Buck控制器評估模塊的詳細(xì)介紹，相信電子工程師們能更好地了解和使用該模塊，在實際設(shè)計中充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。大家在使用過程中是否遇到過類似模塊的特殊問題呢？歡迎分享交流。