深入剖析TPS43060EVM - 199評估模塊

在電子設計領域，DC - DC轉(zhuǎn)換器的設計與應用至關(guān)重要。今天，我們來深入了解德州儀器（Texas Instruments）的TPS43060EVM - 199評估模塊，它能幫助電子工程師更好地評估TPS43060 DC - DC同步升壓控制器的性能。

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1. 模塊背景與性能規(guī)格

1.1 模塊背景

TPS43060是一款DC - DC同步升壓控制器，能在4.5V至38V的輸入電壓源下實現(xiàn)最高58V的輸出電壓。它擁有7.5V的柵極驅(qū)動電源，適合與標準閾值MOSFET配合使用。評估模塊的額定輸入電壓范圍為10V至38V，輸出電流范圍為0A至3A。其開關(guān)頻率外部設置為標稱300kHz，外部高端和低端FET的柵極驅(qū)動電路集成在TPS43060封裝內(nèi)。模塊采用英飛凌的BSC123N08NS3G作為高端和低端MOSFET，通過外部電感DCR或電阻電流感應實現(xiàn)逐周期電流限制的調(diào)整，補償組件在集成電路外部，外部電阻分壓器可實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整。此外，TPS43060還提供了帶遲滯的可調(diào)欠壓鎖定、通過外部電容實現(xiàn)的可調(diào)慢啟動時間以及電源良好輸出電壓指示。

1.2 性能規(guī)格總結(jié)

評估模塊的性能規(guī)格在輸入電壓(V_{IN}=24V)、輸出電壓40V的條件下進行測試（除非另有說明），環(huán)境溫度為25°C。具體規(guī)格如下：

• 輸入電壓范圍：10V - 38V
• 輸出電壓設定點：40V
• 輸出電流范圍：當(V{IN}=15V)至38V時為0A - 3A；當(V{IN}=10V)時為0A - 2A
• 線路調(diào)節(jié)率：(V{IN}=10V)至35V，(I{OUT}=2A)時為±0.1%
• 負載調(diào)節(jié)率：(I_{OUT}=0.001A)至3A時為±0.1%
• 負載瞬態(tài)響應：(I{OUT})從0.75A到2.25A時，電壓變化 - 700mV，恢復時間1ms；(I{OUT})從2.25A到0.75A時，電壓變化600mV，恢復時間1ms
• 環(huán)路帶寬：(I_{OUT}=3A)時為4.7kHz
• 相位裕度：(I_{OUT}=3A)時為64
• 輸入電壓紋波：(I_{OUT}=3A)時為100mVpp
• 輸出電壓紋波：(I_{OUT}=3A)時為350mVpp
• 輸出上升時間：25ms
• 工作頻率：300kHz
• 峰值效率：(I_{OUT}=3A)時為97.7%
• DCM閾值：660mA
• 脈沖跳過閾值：3.5mA
• 無負載輸入電流：1.3mA
• UVLO啟動閾值：9.66V
• UVLO停止閾值：7.92V

2. 模塊原理圖與修改方法

2.1 原理圖

模塊的原理圖展示了其電路結(jié)構(gòu)，包含輸入、輸出、MOSFET、電感、電容、電阻等元件的連接方式。通過原理圖，我們可以清晰地了解模塊的工作原理和信號流向。

2.2 修改方法

• 輸出電壓設定點：要改變評估模塊的輸出電壓，需改變電阻R8的值?？墒褂霉?R{HS}=R{LS} × frac{V{OUT }-V{FB}}{V{FB}})計算，其中(R{HS})是R8，(R{LS})是R9，(V{FB})是1.22V，建議R9的值接近10kΩ。同時，(V_{IN})必須在一定范圍內(nèi)，以確保最小導通時間大于典型的100ns，最小關(guān)斷時間大于典型的250ns和開關(guān)周期的5%中的較大值。
• 電流感應：默認配置為電阻電流感應，R13和R14安裝，R15開路。調(diào)整輸入電壓、輸出電壓或期望的最大輸出電壓時，可能需要調(diào)整電流感應電阻R16和R17。首先使用公式(L{peak} =frac{V{OUT }}{1-frac{V{OUT }-V{IN } min }{V{OUT }}}+frac{V{IN } min × frac{V{OUT }-V{IN } min }{V{OUT }}}{2 × L × f{SW}})計算峰值電感電流，然后使用公式(R{CS}=frac{V{CS} typ }{1.2 × L{peak }})計算所需的電流感應電阻，其中(V{CS} typ)是電流感應閾值，應根據(jù)TPS43060數(shù)據(jù)手冊和應用中的最大占空比確定。對于電感DCR電流感應，應將R14開路，同時將R15、R16、R17和R18短路。
• 慢啟動時間：通過改變C7的值來調(diào)整慢啟動時間，可使用公式(C{SS}=frac{t{SS} × I{SS}}{V{REF}})計算所需電容，其中(I{SS})是典型的5μA充電電流，(V{REF})是1.22V的內(nèi)部參考電壓。評估模塊使用(C7 = 0.1μF)設置慢啟動時間為25ms。
• 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）：可使用R3和R4外部調(diào)整欠壓鎖定。評估模塊使用(R3 = 357kΩ)和(R4 = 47.5kΩ)設置啟動電壓為9.66V，停止電壓為7.92V。使用公式(R{UVLO_L}=frac{R{UVLO_H} × V{EN_DIS}}{V{STOP}-V{EN_DIS}+R{UVLO_H} timesleft(I{EN_pup}+I{EN_hys }right)})和(R{UVLO_H }=frac{V{START } timesleft(frac{V{EN_DIS }}{V{EN_ON }}right)-V{STOP }}{I{EN_pup} timesleft(1-frac{V{EN_DIS }}{V{EN_ON }}right)+I{EN_hys }})分別計算R3和R4的所需電阻值，典型常量值為(V{EN_DIS}=1.14V)，(V{EN_ON}=1.21V)，(I{EN_pup}=1.8μA)，(I_{EN_hys}=3.2μA)。
• 輸入電壓軌：評估模塊設計為適應功率級和控制邏輯的不同輸入電壓水平。默認配置下，VIN輸入通過安裝0Ω電阻R11連接，輸入電壓通過J6提供。如果需要，可移除R11以分離兩個輸入電壓軌，控制邏輯輸入電壓可通過J4提供，功率級輸入電壓通過J6提供。
• 進一步修改：改變評估模塊的輸入和輸出條件會影響設計，可能需要修改電感、輸出電容和補償組件以實現(xiàn)應用中的期望性能，具體可參考數(shù)據(jù)手冊或產(chǎn)品文件夾中的Excel設計電子表格。

3. 測試設置與結(jié)果

3.1 輸入/輸出連接

評估模塊包含I/O連接器和測試點，需使用能夠提供至少12A的電源通過一對20 - AWG電線連接到J6，負載通過一對20 - AWG電線連接到J2，最大負載電流能力為3A。應盡量減小電線長度以減少電線中的損耗。測試點TP8用于監(jiān)測(V_{IN})輸入電壓，TP9作為接地參考；TP3用于監(jiān)測輸出電壓，TP4作為接地參考。

3.2 效率

在標稱(V_{IN}=24V)時，評估模塊的效率在負載電流約為3A時達到峰值，隨后隨著負載電流向最大負載增加而降低。不同輸入電壓下的效率曲線展示了模塊在不同負載電流下的效率表現(xiàn)。需要注意的是，由于所選外部MOSFET的漏源電阻隨溫度變化，在較高環(huán)境溫度下效率可能會降低。

3.3 輸出電壓調(diào)節(jié)

負載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)曲線展示了評估模塊在不同負載電流和輸入電壓下的輸出電壓偏差情況。在環(huán)境溫度為25°C時，負載調(diào)節(jié)率和線路調(diào)節(jié)率均為±0.1%，表明模塊具有良好的電壓調(diào)節(jié)性能。

3.4 負載瞬態(tài)和環(huán)路響應

負載瞬態(tài)響應曲線展示了模塊在負載電流從25%到75%最大額定負載變化時的輸出電壓變化情況，包括紋波和噪聲。環(huán)路響應曲線展示了模塊在標稱(V_{IN}=24V)、負載電流為3A時的增益和相位特性。

3.5 輸出電壓紋波

分別展示了連續(xù)導通模式（CCM）、不連續(xù)導通模式（DCM）和脈沖跳過模式下的輸出電壓紋波情況。在不同的輸出電流和輸入電壓條件下，模塊的輸出電壓紋波表現(xiàn)不同。

3.6 輸入電壓紋波

展示了CCM和DCM模式下的輸入電壓紋波情況，測量是在輸出電流為額定滿載3A和標稱(V_{IN}=24V)的條件下進行的。

3.7 啟動和關(guān)機

啟動波形展示了模塊在輸入電壓上升和EN信號變化時的啟動過程，包括(V{CC})、(V{OUT})和PGOOD信號的變化。關(guān)機波形展示了模塊在輸入電壓移除和EN信號接地時的關(guān)機過程。

3.8 柵極驅(qū)動信號

展示了高端和低端FET的柵極驅(qū)動信號與開關(guān)節(jié)點的波形，輸入電壓為24V，輸出負載為3A。

4. 物料清單與電路板布局

4.1 物料清單

物料清單詳細列出了評估模塊所使用的各種元件，包括電容、電阻、二極管、MOSFET、電感、連接器、測試點等，以及它們的參數(shù)、規(guī)格、制造商和型號。

4.2 電路板布局

評估模塊的電路板采用4層2 - oz銅設計。頂層包含(V{IN})、(V{OUT})和SW的主要功率走線，以及所有其他組件，方便用戶查看、探測和評估TPS43060控制IC。其余三層有額外的銅用于VIN、VOUT、AGND和PGND，并通過多個過孔連接。第二內(nèi)部層和底層包含信號路由。TPS43060器件下方的四個過孔提供了從頂層接地平面到底層和內(nèi)部AGND平面的熱路徑。布局遵循一定的準則，如將所有對噪聲敏感的模擬電路盡可能靠近IC放置，電壓分壓器網(wǎng)絡在底層靠近輸出電容處連接到輸出電壓，Q1和Q2盡可能靠近IC以縮短柵極驅(qū)動走線，輸出電容放置在Q1和Q2旁邊以限制高頻開關(guān)電流路徑的長度，SW銅面積盡可能小以限制高頻開關(guān)電壓節(jié)點的輻射噪聲等。

通過對TPS43060EVM - 199評估模塊的詳細分析，我們可以看到它在DC - DC升壓控制方面具有良好的性能和可調(diào)節(jié)性。電子工程師可以根據(jù)實際需求對模塊進行修改和優(yōu)化，以滿足不同應用的要求。大家在實際使用中是否遇到過類似模塊的調(diào)試問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。