12V 輸入、1.5V 輸出、40A 雙相同步降壓轉(zhuǎn)換器 TPS40130EVM - 001 測評

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源模塊的高效性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。今天我們來深入了解一款德州儀器（TI）推出的 TPS40130EVM - 001 評估模塊，它能將 12V 輸入轉(zhuǎn)換為 1.5V 輸出，最大輸出電流可達(dá) 40A，是一款頗具特色的雙相同步降壓轉(zhuǎn)換器。

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一、產(chǎn)品概述

TPS40130EVM - 001 評估模塊設(shè)計用于使用 10 - 14V 的穩(wěn)壓總線，提供高達(dá) 40A 負(fù)載電流的 1.5V 穩(wěn)壓輸出。它采用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)來提升性能，比如無損 DCR 電流感應(yīng)技術(shù)，無需電流感應(yīng)電阻，減少了損耗并提高了效率；單位增益放大器提供精確的集成遠(yuǎn)程感應(yīng)功能，可實(shí)現(xiàn)高精度的負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓輸出電壓；獨(dú)立的可編程過壓保護(hù)（OVP），即使在用戶調(diào)整輸出電壓或意外將反饋引腳接地時，也能提供精確的過壓保護(hù)。

1.1 應(yīng)用場景

該模塊適用于多種場景，包括非隔離高電流負(fù)載點(diǎn)和低壓總線轉(zhuǎn)換器、視頻圖形適配器、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、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。

1.2 產(chǎn)品特性

• 高效轉(zhuǎn)換：在 10V 輸入時，峰值效率達(dá) 91%，滿載效率為 89%。
• 寬輸入范圍：輸入電壓范圍為 10 - 14V。
• 固定輸出可調(diào)：固定 1.5V 輸出，可通過單個電阻進(jìn)行調(diào)整。
• 高輸出電流：穩(wěn)態(tài)輸出電流可達(dá) 40A。
• 高頻運(yùn)行：每相 330kHz 運(yùn)行，輸出紋波頻率為 660kHz。
• 電路設(shè)計：每相采用單個主開關(guān) MOSFET 和雙同步整流 MOSFET，單組件面、表面貼裝設(shè)計（4.5" × 4.0”），四層 PCB 且所有組件都在頂層，方便測試和評估。
• 控制模式：采用電流模式控制并強(qiáng)制均流。
• 測試便利：設(shè)有方便的測試點(diǎn)，可用于探測關(guān)鍵波形和進(jìn)行非侵入式環(huán)路響應(yīng)測試。
• 單電源運(yùn)行：內(nèi)置 5V LDO 實(shí)現(xiàn)單電源運(yùn)行，還預(yù)留了 TPS40120 數(shù)字控制電阻網(wǎng)絡(luò)的空間用于 6 位 VID 控制（未填充）。

二、電氣性能規(guī)格

2.1 輸入特性

• 輸入電壓范圍：10 - 14V。
• 最大輸入電流：當(dāng)輸入電壓為 10V，輸出電流為 40A 時，最大輸入電流為 6.9A。
• 空載輸入電流：輸入電壓為 14V，輸出電流為 0A 時，空載輸入電流為 180mA。

2.2 輸出特性

• 輸出電壓：當(dāng) R14 = 8.66kΩ 時，輸出電壓在 1.45 - 1.55V 之間，典型值為 1.5V。
• 輸出電壓調(diào)節(jié)：線路調(diào)節(jié)（10V < VIN < 14V，IOUT = 20A）和負(fù)載調(diào)節(jié)（0A < IOUT < 40A，VIN = 12V）均不超過 1%。
• 輸出電壓紋波：輸入電壓為 14V，輸出電流為 40A 時，輸出電壓紋波不超過 30mVpp。
• 輸出負(fù)載電流：范圍為 0 - 40A。
• 輸出過流：源電流限制為 8.5A，負(fù)載電流限制為 40A。
• 輸出電流限制：輸入電壓為 12V 時，電流限制為 80A。
• 開關(guān)頻率：范圍為 300 - 360kHz，典型值為 330kHz。
• 效率：在不同輸入電壓和輸出電流條件下，峰值效率和滿載效率有所不同。例如，在輸出電壓為 1.5V，20A < IOUT < 30A 時，10V 輸入的峰值效率為 91%；輸出電流為 40A 時，10V 輸入的滿載效率為 89%。

三、電路原理圖及參數(shù)調(diào)整

3.1 輸出電壓調(diào)整

通過改變反饋電阻分壓器中的接地電阻 R14，可以在有限范圍內(nèi)調(diào)整穩(wěn)壓輸出電壓。輸出電壓計算公式為 (V{VOUT }=V{VREF } × frac{R 14+R 6}{R 14})，其中 (V_{VREF } = 0.7V)，(R6 = 10.0kΩ)。文檔中給出了不同輸出電壓對應(yīng)的 R14 值，如 3.3V 對應(yīng) 2.67kΩ，1.5V 對應(yīng) 8.66kΩ 等。不過需要注意的是，雖然模塊在這些輸出電壓下穩(wěn)定，但由于功率級是為 1.5V 輸出優(yōu)化的，效率可能會受到影響。

3.2 過壓保護(hù)調(diào)整

輸出電壓通過獨(dú)立于反饋回路的過壓保護(hù)電路進(jìn)行保護(hù)，以防止損壞 4V 輸出電容器。初始設(shè)置為 3.5V，允許用戶將輸出電壓從 1.2V 調(diào)整到 3.3V。通過改變 R1 可調(diào)整過壓保護(hù)設(shè)定點(diǎn)，計算公式為 (V{OVP }=V{OVSET } × frac{R 1+R 4}{R 1})，其中 (V_{OVSET } = 0.816V)，(R4 = 10.0kΩ)。當(dāng) R1 = R14 時，電壓設(shè)定值和過壓保護(hù)設(shè)定點(diǎn)之間有 14% - 18% 的余量。若要獲得更窄的過壓余量，需密切關(guān)注過壓保護(hù)參考電壓的公差。

3.3 過流保護(hù)調(diào)整

TPS40130EVM - 001 預(yù)配置的過流保護(hù)（OVP）設(shè)置較高，以便轉(zhuǎn)換器能夠提供高電流、短時間負(fù)載，并在有足夠氣流的情況下在更高負(fù)載下運(yùn)行，同時提供輸出短路保護(hù)。若要將電流限制設(shè)置為較低值，可根據(jù)文檔中的表格改變 R19 的值。

3.4 使用外部 5V 電源

該模塊設(shè)計為通過內(nèi)置的 TL751 5V LDO 從單個 12V 電源運(yùn)行，但如果目標(biāo)系統(tǒng)中有單獨(dú)的 5V 總線，也可使用外部 5V 電源。使用時，通過 5V_IN（J7）連接外部電源，并移除 R32 和 R33 以斷開 LDO 與電路的連接。模塊從 5V 電源所需的電流約為 50mA。

四、測試設(shè)置

4.1 測試設(shè)備

• 電壓源：輸入電壓源 (V12V_IN) 應(yīng)為 0 - 15V 的可變直流源，能夠提供 8.5Adc 的電流，連接到 J1 和 J6。
• 儀表：包括 0 - 10Adc 的電流表 A1、0 - 15V 的電壓表 V1（測量 (V{12 ~V underline IN})）和 0 - 5V 的電壓表 V2（測量 (V{1 ~V 5 OUT })）。
• 負(fù)載：輸出負(fù)載 LOAD1 應(yīng)為能夠在 1.5V 下提供 0 - 40Adc 的電子恒流模式負(fù)載。
• 推薦線規(guī)：(V_{12 ~V underline IN}) 到 J1 和 J6 的連接，最小推薦線徑為 AWG #16，總長度小于 4 英尺；J4 到 LOAD1 的連接，最小推薦線徑為 4 x AWG #16，總長度小于 1 英尺；J2 和 J5 到 LOAD1 的連接，最小推薦線徑為 2 x AWG #16，總長度小于 1 英尺。
• 其他：需要一個能夠提供 200 - 400 lfm 風(fēng)量的小風(fēng)扇，以降低組件表面溫度，防止用戶受傷；還需要一臺 60MHz 或更快的示波器，用于測量 1V5_OUT 的紋波電壓，示波器應(yīng)設(shè)置為 1MΩ 阻抗、交流耦合、1μs/division 水平分辨率和 20mV/division 垂直分辨率。

4.2 設(shè)備設(shè)置及操作步驟

按照文檔中的推薦測試設(shè)置圖進(jìn)行連接，連接時要注意 J1、J2、J5 和 J6 的返回端雖相同，但連接應(yīng)保持分開。操作步驟如下：

1. 在 ESD 工作站工作，確保在給 EVM 通電前，將任何腕帶、鞋套或墊子連接到接地端，同時穿戴靜電服和安全眼鏡。
2. 在連接直流輸入源 (V12V_IN) 之前，建議將源電流限制在最大 7.0A，并將 (V12V_IN) 初始設(shè)置為 0V，按圖連接。
3. 在 (V_{12 ~V underline IN}) 和 J1、J2 之間連接電流表 A1（0 - 7A 范圍）。
4. 將電壓表 V1 連接到 12V_IN + 和 12V_IN -。
5. 將 LOAD1 連接到 J2，并在施加 (V_{12 ~V underline IN}) 之前將 LOAD1 設(shè)置為恒流模式以吸收 0Adc。
6. 將電壓表 V2 跨接在 1V5_OUT + 和 1V5_OUT - 上。
7. 按圖放置風(fēng)扇并打開，確?？諝饬鬟^ EVM。

4.3 啟動/關(guān)閉程序

啟動時，先將 (V_{12 ~V underline IN}) 從 0Vdc 增加到 10Vdc，然后將 LOAD1 從 0Adc 變化到 40Adc，再將 (V12VIN) 從 10Vdc 變化到 14Vdc，最后將 LOAD1 減小到 0A，將 (V{12 ~V underline IN}) 減小到 0V。關(guān)閉時，依次關(guān)閉示波器、LOAD1、(V_{12 ~V underline IN}) 和風(fēng)扇。

五、典型性能數(shù)據(jù)和特性曲線

文檔中給出了 TPS40130EVM - 001 的典型性能曲線，包括效率、線路調(diào)節(jié)、負(fù)載調(diào)節(jié)和瞬態(tài)響應(yīng)等。這些曲線僅供參考，實(shí)際性能數(shù)據(jù)可能會受到測量技術(shù)和環(huán)境變量的影響。

六、EVM 組裝圖紙和布局

TPS40130EVM - 001 的印刷電路板采用 4 層、2 - oz 覆銅電路板設(shè)計，尺寸為 4.5" × 4.0”，所有組件都在頂層，方便用戶在實(shí)際應(yīng)用中輕松查看、探測和評估 TPS40130 控制 IC。對于空間受限的系統(tǒng)，可將組件移到 PCB 兩側(cè)或使用額外的內(nèi)部層以進(jìn)一步減小尺寸。

七、材料清單

文檔詳細(xì)列出了 EVM 的組件清單，包括電容器、二極管、電感器、MOSFET、電阻器、測試點(diǎn)、IC 等，以及它們的數(shù)量、參考編號、描述、尺寸、制造商和零件編號等信息。

綜上所述，TPS40130EVM - 001 評估模塊是一款性能出色、功能豐富的雙相同步降壓轉(zhuǎn)換器，在高電流、低電壓的電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。電子工程師們在設(shè)計相關(guān)電路時，可以根據(jù)實(shí)際需求參考其電氣性能規(guī)格、電路原理圖和測試方法等，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設(shè)計。大家在使用這款模塊的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題或有獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評論區(qū)分享交流。