TPS54120降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊使用指南

在電子設(shè)計領(lǐng)域，一款性能出色的降壓轉(zhuǎn)換器對于電路設(shè)計至關(guān)重要。德州儀器（Texas Instruments）的TPS54120降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊（PWR103）為工程師們提供了一個絕佳的評估平臺，下面就為大家詳細(xì)介紹這款評估模塊。

文件下載：TPS54120EVM-103.pdf

模塊背景

TPS54120 EVM（PWR103）旨在幫助設(shè)計工程師評估TPS54120（開關(guān)器 + LDO）在自身電路應(yīng)用中的運行和性能。該評估模塊采用3.5mm × 5.5mm的QFN熱增強型PowerPad?封裝，包含了實現(xiàn)低噪聲1A解決方案所需的所有外部組件，具備內(nèi)部熱關(guān)斷和限流保護(hù)以及使能電路。

集成的開關(guān)器（SW）和LDO經(jīng)過優(yōu)化，可使TPS54120實現(xiàn)高效率和低輸出噪聲。補償組件位于集成電路（IC）外部，外部分壓器允許LDO輸出電壓在0.8V至6V之間可調(diào)。此外，TPS54120還提供可調(diào)節(jié)的軟啟動、跟蹤和使能輸入功能，能夠為負(fù)載提供高達(dá)1A的低噪聲電源。

模塊設(shè)置

輸入輸出連接及跳線說明

• J1 - LDO OUT和J2 - GND：LDO的輸出和接地連接器，默認(rèn)輸出電壓為3.3V，這是TPS54120的低噪聲輸出。
• J3 - VIN和J4 - GND：輸入電源電壓和接地連接器。輸入電源的正極和接地端應(yīng)盡量扭絞并保持短距離，以減少EMI傳輸。若電源引線超過6英寸，需在J3和J4之間添加額外的大容量電容，例如47μF的電解電容，可改善TPS54120的瞬態(tài)響應(yīng)并消除長導(dǎo)線連接導(dǎo)致的輸入端不必要的振鈴。
• J5：LDO輸出電壓的SMA連接器，在TPS54120EVM（PWR103）上未安裝該連接器，此焊盤可用于安裝SMA風(fēng)格的連接器，以進(jìn)行更精確的PSRR測量。
• J7 - SW OUT和J6 - GND：開關(guān)器的輸出和接地連接器，開關(guān)器轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和LDO的輸入電壓，默認(rèn)設(shè)置為4.1V。
• J8：SW輸出電壓的SMA連接器，同樣在TPS54120EVM（PWR103）上未安裝，用于安裝SMA風(fēng)格的連接器以進(jìn)行更精確的PSRR測量。
• JP1 - LDOEN：LDO使能跳線。將跳線從中心引腳連接到“on”引腳可啟用LDO輸出，連接到“off”引腳則禁用LDO輸出。
• JP2：開關(guān)器轉(zhuǎn)換器輸出與LDO輸入之間的跳線連接，正常運行時需要短路跳線。若要斷開LDO與SW的連接，移除短路跳線即可。
• JP3 - SW EN：開關(guān)器轉(zhuǎn)換器使能跳線。不連接跳線可啟用開關(guān)器輸出，安裝短路跳線則禁用開關(guān)器輸出。
• TP1 - PWRGD：電源良好連接器測試點，是開關(guān)器轉(zhuǎn)換器的電源良好開集電極標(biāo)志，通過10k電阻連接到低于5.5V的穩(wěn)壓電源，可監(jiān)測開關(guān)器轉(zhuǎn)換器輸出的狀態(tài)。
• TP2 - SENSE：SW感測（反饋）引腳測試點。
• TP3 - SW OUT：開關(guān)器正輸出測試點，除J7外，也可用于測量開關(guān)器的輸出電壓。
• TP4 - LDO IN：LDO輸入電壓測試點。
• TP5 - LDO OUT：LDO輸出測試點，除J1外，也可用于測量LDO的輸出電壓。

模塊修改

SW輸出電壓設(shè)定點

LDO輸出電壓設(shè)定點

開關(guān)器軟啟動時間

軟啟動時間可通過改變C7的值進(jìn)行調(diào)整，計算公式為[C 7(nF)=T{S S}(m s) I{S S}(mu A) / V{R E F}(V)]，其中設(shè)備內(nèi)部有一個2.3μA的上拉電流源為外部軟啟動電容C7充電，電壓參考(V{REF})為0.8V。

LDO啟動

LDO的啟動時間可通過改變C13的值進(jìn)行調(diào)整，此外，NR引腳上的電容還可用于降噪，但降噪效果在電容值達(dá)到0.01μF時接近飽和。

設(shè)備互連

在確認(rèn)輸入電源的輸出電壓設(shè)置為所需電壓（小于17V）且電流限制設(shè)置為約500mA后，關(guān)閉輸入電源。將輸入電源的正電壓線連接到J3（VIN），接地線連接到J4（GND）。使用J1和J2在LDO OUT和GND之間連接一個0 - 1A的負(fù)載。通過在JP1上連接短路跳線，將“off”引腳連接到中心引腳（LDO EN）來禁用LDO輸出。

模塊操作

打開輸入電源，驗證開關(guān)器輸出電壓接近4.1V，LDO輸出接近0V。通過將JP1上的跳線從“on”引腳連接到中心引腳（LDO EN）來啟用LDO輸出，驗證LDO輸出電壓為3.3V。根據(jù)測試需要，可改變負(fù)載電流和(V_{IN})電壓。

測試結(jié)果

輸出電壓紋波

在(V{IN}= 12V)、(SW OUT =4.1V)、(LDO OUT =3.3V)、(I{OUT}=400mA)、(F_{switching}=480kHz)的條件下，可觀察到LDO和開關(guān)器轉(zhuǎn)換器的輸出電壓紋波。

輸出噪聲

在相同條件下，可得到TPS54120EVM的輸出電壓噪聲頻譜。

輸出開啟

展示了開關(guān)器和LDO在不同使能情況下的輸出電壓開啟情況，包括SW使能時開關(guān)器輸出電壓開啟、LDO使能時LDO輸出電壓開啟以及SW使能時LDO輸出電壓開啟。

負(fù)載瞬態(tài)

TPS54120對負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)，電流階躍從最大額定負(fù)載的30%到75%，輸入電壓為12V，展示了開關(guān)器和LDO輸出的總峰 - 峰電壓變化，包括紋波和噪聲。

效率

在環(huán)境溫度為25°C，(V_{IN})分別為8V、10V、12V和15V的條件下，開關(guān)器輸出電壓設(shè)置為4.1V，LDO設(shè)置為3.3V時的效率情況。

熱特性

展示了TPS54120在12V輸入、1A負(fù)載、3.3V LDO輸出和4.1V開關(guān)器輸出的情況下的熱圖像，無氣流，環(huán)境溫度為25°C，IC的峰值溫度（56.4°C）遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)手冊中列出的最大推薦工作溫度150°C。

電路板布局

TPS54120評估板采用四層布局，旨在盡可能屏蔽LDO的模擬地免受開關(guān)器噪聲的影響。關(guān)鍵模擬電路如電壓設(shè)定點分壓器、頻率設(shè)定電阻、軟啟動電容和補償組件通過獨立的過孔接地，與電源接地層分離。

• 頂層：包含LDO的模擬地和SW側(cè)輸出電源地的一部分，布局方式與用戶應(yīng)用典型布局相似。
• 第一層內(nèi)部層：連接到PowerPad和IC的模擬地，主要用于功率耗散，僅實現(xiàn)了少量走線，如LDO使能和PWRGD測試點走線。
• 第二層內(nèi)部層：主要用作模擬地，為屏蔽LDO地免受開關(guān)節(jié)點噪聲影響，在該層中心制作了一個小的隔離電源接地平面，以減少與模擬地的電容耦合，還包含連接輸入電容和連接器J3的開關(guān)器輸入電壓走線。
• 底層：約四分之一的面積包含主輸入電源接地走線，開關(guān)器的電感器（L1）和輸出電容器（C9、C10）位于該層中心，其余表面區(qū)域通過過孔連接到頂層和內(nèi)部層的模擬地，部分過孔位于TPS54120器件下方，為從頂層接地平面到內(nèi)部和底層接地平面提供熱路徑。

原理圖與物料清單

提供了TPS54120評估板的原理圖，同時列出了詳細(xì)的物料清單，包括各個組件的數(shù)量、參考編號、值、描述、尺寸、零件編號和制造商等信息。

德州儀器的TPS54120降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊為工程師們提供了一個全面的評估平臺，通過合理的設(shè)置、操作和測試，能夠充分了解TPS54120的性能特點，為實際電路設(shè)計提供有力的參考。大家在使用過程中有沒有遇到什么特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。