TPS54239E降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊使用指南

一、引言

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，降壓轉(zhuǎn)換器是常用的電路元件，能夠?qū)⑤^高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的較低輸出電壓。TI的TPS54239E是一款單通道、自適應(yīng)導(dǎo)通時間、采用D - CAP2?模式的同步降壓轉(zhuǎn)換器，它具有所需外部元件數(shù)量少的優(yōu)點(diǎn)。D - CAP2控制電路針對低等效串聯(lián)電阻（ESR）的輸出電容器（如POSCAP、SP - CAP或陶瓷電容）進(jìn)行了優(yōu)化，具備快速瞬態(tài)響應(yīng)且無需外部補(bǔ)償?shù)奶匦?。其?nèi)部設(shè)定的開關(guān)頻率標(biāo)稱值為600kHz，還集成了高端和低端開關(guān)MOSFET以及柵極驅(qū)動電路，較低的MOSFET漏源導(dǎo)通電阻有助于實(shí)現(xiàn)高效率，并在高輸出電流時保持較低的結(jié)溫。此外，為了在輕載時進(jìn)一步提高效率，它還具備脈沖跳躍Eco模式操作。TPS54239E直流/直流同步轉(zhuǎn)換器可在4.5V至23V的輸入電壓下提供高達(dá)2A的輸出電流，輸出電壓范圍為0.76V至7V。而TPS54239EEVM - 056評估模塊電路則可從4.5V至23V輸入提供1.05V/2A的輸出。

文件下載：TPS54239EEVM-056.pdf

二、性能規(guī)格總結(jié)

2.1 輸入輸出范圍

三、模塊修改

3.1 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)

若要改變評估模塊（EVM）的輸出電壓，需要改變電阻R1的值。通過改變R1的值，可以將輸出電壓調(diào)整到0.765V以上。對于特定輸出電壓，R1的值可通過公式 (V_{O}=0.765×(1 + frac{R1}{R2})) 計(jì)算得出。表3 - 1列出了一些常見輸出電壓對應(yīng)的R1值。對于1.8V及以上的較高輸出電壓，可能需要一個前饋電容（C4）來改善相位裕度，印刷電路板（PCB）上提供了該元件（C4）的焊盤。需要注意的是，表3 - 1中給出的電阻值是標(biāo)準(zhǔn)值，并非通過上述公式精確計(jì)算得出的值。

3.2 輸出濾波器和閉環(huán)響應(yīng)

TPS54239E依靠輸出濾波器的特性來確?？刂骗h(huán)路的穩(wěn)定性。表3 - 1給出了常見輸出電壓推薦的輸出濾波器元件。其他輸出濾波器元件值也可能提供可接受的閉環(huán)特性。為了方便斷開控制環(huán)路并測量閉環(huán)響應(yīng)，電路板上提供了R3和TP4。

四、測試設(shè)置與結(jié)果

4.1 輸入/輸出連接

4.2 啟動程序

1. 確保JP1（啟用控制）處的跳線從EN設(shè)置到OFF。
2. 將適當(dāng)?shù)?(V{IN}) 電壓施加到J1的 (V{IN}) 和PGND端子。
3. 將JP1（啟用控制）處的跳線移動到覆蓋EN和ON，評估模塊將啟用輸出電壓。

4.3 效率

在環(huán)境溫度為25°C時，TPS54239EEVM - 056的效率曲線如圖4 - 1和圖4 - 2所示。圖4 - 1展示了不同輸入電壓下效率隨輸出電流的變化情況；圖4 - 2則顯示了輕載時的效率情況。通過觀察這些曲線，我們可以了解在不同工作條件下評估模塊的效率表現(xiàn)，從而為實(shí)際應(yīng)用中的電源設(shè)計(jì)提供參考。大家可以思考一下，在實(shí)際應(yīng)用中如何根據(jù)這些效率曲線來選擇合適的輸入電壓和輸出電流范圍，以達(dá)到最佳的能源利用效率呢？

4.4 負(fù)載調(diào)整率

TPS54239EEVM - 056的負(fù)載調(diào)整率如圖4 - 3所示，展示了在 (V{IN}=5V) 和 (V{IN}=12V) 時，負(fù)載調(diào)整率隨輸出電流的變化情況。負(fù)載調(diào)整率反映了輸出電壓隨負(fù)載電流變化的穩(wěn)定性，從圖中我們可以直觀地看到在不同輸入電壓和輸出電流下，輸出電壓的變化情況。這對于需要穩(wěn)定輸出電壓的應(yīng)用場景非常重要，那么在實(shí)際設(shè)計(jì)中，如何根據(jù)負(fù)載調(diào)整率曲線來優(yōu)化電路以滿足應(yīng)用需求呢？

4.5 線性調(diào)整率

圖4 - 4展示了TPS54239EEVM - 056的線性調(diào)整率，即在 (I_{OUT}=1.0A) 時，線性調(diào)整率隨輸入電壓的變化情況。線性調(diào)整率體現(xiàn)了輸出電壓隨輸入電壓變化的穩(wěn)定性，了解這一特性有助于我們在不同輸入電壓環(huán)境下確保輸出電壓的穩(wěn)定。在實(shí)際應(yīng)用中，如果輸入電壓波動較大，我們該如何利用線性調(diào)整率的特性來保障電路的正常工作呢？

4.6 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

圖4 - 5展示了TPS54239EEVM - 056對負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)情況，電流階躍從0.5A到1.5A。通過觀察負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)曲線，我們可以評估評估模塊在負(fù)載突然變化時的動態(tài)性能，這對于一些對電源動態(tài)響應(yīng)要求較高的應(yīng)用場景（如高速數(shù)字電路）至關(guān)重要。那么在設(shè)計(jì)中，如何根據(jù)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)來優(yōu)化電路，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性呢？

4.7 輸出電壓紋波

圖4 - 6、圖4 - 7和圖4 - 8分別展示了在輸出電流為額定滿載2A、50mA和0A（無負(fù)載）時，TPS54239EEVM - 056的輸出電壓紋波情況。輸出電壓紋波是衡量電源輸出質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，較小的紋波意味著更穩(wěn)定的輸出電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求來控制輸出電壓紋波，那么有哪些方法可以有效降低輸出電壓紋波呢？

4.8 輸入電壓紋波

圖4 - 9展示了在輸出電流為額定滿載2A時，TPS54239EEVM - 056的輸入電壓紋波情況。輸入電壓紋波可能會影響電源的穩(wěn)定性和其他電路的正常工作，因此了解輸入電壓紋波的特性對于電源設(shè)計(jì)和系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，如何采取措施來減小輸入電壓紋波呢？

4.9 啟動

圖4 - 10和圖4 - 11展示了TPS54239EEVM - 056相對于 (V{IN}) 和EN的啟動波形（(R{LOAD}=1Ω)）。啟動過程的穩(wěn)定性對于系統(tǒng)的正常運(yùn)行非常重要，通過觀察啟動波形，我們可以分析啟動過程中輸出電壓、輸入電壓和使能信號等的變化情況，從而優(yōu)化啟動電路的設(shè)計(jì)。那么在實(shí)際設(shè)計(jì)中，如何根據(jù)啟動波形來調(diào)整啟動參數(shù)，以確保系統(tǒng)能夠平穩(wěn)啟動呢？

4.10 關(guān)機(jī)

圖4 - 12和圖4 - 13展示了TPS54239EEVM - 056相對于 (V{IN}) 和EN的關(guān)機(jī)波形（(R{LOAD}=1Ω)）。了解關(guān)機(jī)過程的特性有助于我們在系統(tǒng)關(guān)機(jī)時確保電源的安全和穩(wěn)定，避免出現(xiàn)異常情況。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)關(guān)機(jī)波形來優(yōu)化關(guān)機(jī)電路的設(shè)計(jì)，那么有哪些關(guān)鍵因素需要考慮呢？

五、電路板布局

5.1 布局

TPS54239EEVM - 056的電路板布局如圖5 - 1至圖5 - 5所示。頂層包含 (V{IN})、(V{O}) 和接地的主要電源走線，還包括TPS54239E引腳的連接以及大面積的接地填充。許多信號走線也位于頂層，輸入去耦電容盡可能靠近IC放置。輸入和輸出連接器、測試點(diǎn)以及所有組件都位于頂層，頂層還提供了一個模擬接地（GND）區(qū)域，模擬接地（GND）和電源接地（PGND）在頂層靠近C6的單點(diǎn)連接。兩個內(nèi)層完全用于電源接地平面，底層主要是電源接地，底層的銅澆鑄區(qū)域用于將開關(guān)節(jié)點(diǎn)（SW）連接到輸出電感器和升壓電容，走線還連接了使能控制跳線、EN、VREG5、LOOP測試點(diǎn)以及從 (V_{OUT}) 到電壓設(shè)定點(diǎn)分壓網(wǎng)絡(luò)的反饋?zhàn)呔€。合理的電路板布局對于降低電磁干擾、提高電路性能和穩(wěn)定性非常重要，大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中是否有遇到過因?yàn)殡娐钒宀季植缓侠矶鴮?dǎo)致的問題呢？

六、原理圖、物料清單和參考資料

6.1 原理圖

圖6 - 1為TPS54239EEVM - 056的原理圖，通過原理圖我們可以清晰地了解電路的結(jié)構(gòu)和各個元件之間的連接關(guān)系，這對于電路的分析和調(diào)試非常有幫助。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們可以根據(jù)原理圖進(jìn)行電路的仿真和優(yōu)化，那么如何利用原理圖來進(jìn)行電路的故障排查呢？

6.2 物料清單

表6 - 1列出了TPS54239EEVM - 056的物料清單，包括各個元件的數(shù)量、值、描述、尺寸、零件編號和制造商等信息。準(zhǔn)確的物料清單對于采購和組裝電路板非常重要，在實(shí)際采購過程中，我們需要注意元件的參數(shù)和兼容性，以確保電路的正常工作。那么在選擇元件時，除了參數(shù)和兼容性，還需要考慮哪些因素呢？

6.3 參考資料

參考資料為“Texas Instruments, TPS54239E, 4.5 V to 23 V Input, 2 - A Synchronous Step - Down SWIFT? Converter with Eco - Mode? Data Sheet”，這份數(shù)據(jù)手冊提供了關(guān)于TPS54239E更詳細(xì)的技術(shù)信息，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和分析時，我們可以參考該數(shù)據(jù)手冊來獲取更多的技術(shù)細(xì)節(jié)和應(yīng)用建議。

七、修訂歷史

從2013年1月的版本到2021年10月的版本，文檔進(jìn)行了一些更新，包括更新了表格、圖形和交叉引用的編號格式，以及更新了用戶指南的標(biāo)題。了解修訂歷史有助于我們了解文檔的發(fā)展和變化，同時也能讓我們更好地理解當(dāng)前版本的內(nèi)容。

通過對TPS54239E降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊的詳細(xì)介紹，我們對其性能、使用方法和設(shè)計(jì)要點(diǎn)有了更深入的了解。在實(shí)際的電子設(shè)計(jì)中，我們可以根據(jù)這些信息來選擇合適的降壓轉(zhuǎn)換器，并進(jìn)行合理的電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。大家在使用類似的降壓轉(zhuǎn)換器時，是否有自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和技巧呢？歡迎在評論區(qū)分享。