TPS54302 降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊使用指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。德州儀器（Texas Instruments）的 TPS54302 降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊 TPS54302EVM - 716 為工程師們提供了一個(gè)便捷的測(cè)試和驗(yàn)證平臺(tái)。本文將詳細(xì)介紹該評(píng)估模塊的相關(guān)信息，包括背景、性能規(guī)格、測(cè)試設(shè)置與結(jié)果、電路板布局以及原理圖和物料清單等內(nèi)容。

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一、背景與性能規(guī)格

1.1 TPS54302 簡介

TPS54302 是一款直流 - 直流轉(zhuǎn)換器，能夠在 8V 至 28V 的輸入電壓源下提供高達(dá) 3A 的輸出電流。為了減少電磁干擾（EMI），它引入了頻率擴(kuò)展頻譜技術(shù)，抖動(dòng)范圍為開關(guān)頻率的 ±6%，擺動(dòng)頻率為 1/512。該評(píng)估模塊旨在展示使用 TPS54302 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí)可實(shí)現(xiàn)的小印刷電路板面積。其開關(guān)頻率內(nèi)部設(shè)定為標(biāo)稱 400kHz，高側(cè)和低側(cè) MOSFET 與柵極驅(qū)動(dòng)電路集成在 TPS54302 封裝內(nèi)，低的漏源導(dǎo)通電阻使 TPS54302 能夠?qū)崿F(xiàn)高效率，并有助于在高輸出電流時(shí)保持較低的結(jié)溫。補(bǔ)償組件集成到集成電路（IC）中，外部分壓器允許輸出電壓可調(diào)，此外，TPS54302 還提供可調(diào)的欠壓鎖定輸入。TPS54302EVM - 716 的絕對(duì)最大輸入電壓為 30V。

1.2 性能規(guī)格總結(jié)

1.3 模塊修改

1.3.1 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)

通過改變電阻 R3 的值可以改變 EVM 的輸出電壓，計(jì)算公式為： [R 3=frac{R 2 × 0.596 V}{V_{OUT }-0.596 V}] 其中 R2 取值為 100kΩ。表 1 - 3 列出了一些常見輸出電壓對(duì)應(yīng)的 R2 和 R3 值。

1.3.2 輸出電容和前饋電容

為了保證環(huán)路穩(wěn)定性，在不考慮前饋電容 C8 時(shí)，選擇交叉頻率小于 40kHz。不考慮前饋電容 C8 時(shí)交叉頻率的簡單估算公式為： [f{O}=frac{5.1}{V{OUT } × C{OUT }}] 當(dāng)輸出電容 (C{OUT}) 以低 ESR（陶瓷類型）電容為主時(shí)，可能導(dǎo)致低相位裕度。為了提高相位提升，可以在 R2 上并聯(lián)一個(gè)外部前饋電容 C8，C8 的計(jì)算公式為： [C 8=frac{1}{2 pi f{0}} × frac{1}{R{2}}] 對(duì)于本設(shè)計(jì)，(C 8 = 75pF)。當(dāng) (C_{OUT}) 具有高 ESR 時(shí)，不需要 C8；當(dāng) ESR 為中等時(shí)，應(yīng)根據(jù)公式 3 計(jì)算的結(jié)果適當(dāng)減小 C8 的值。

1.3.3 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）

可以使用 R4 和 R5 外部調(diào)整欠壓鎖定（UVLO）。EVM 使用 (R 4 = 510kΩ) 和 (R 5 = 105kΩ) 設(shè)定啟動(dòng)電壓為 6.74V，停止電壓為 5.83V。可以使用以下公式計(jì)算不同啟動(dòng)和停止電壓所需的電阻值： [R 4=frac{V{START }left(frac{V{ENFALLLING }}{V{ERNERINGING }}right)-V{STOP }}{I{p}left(1-frac{V{ENFALLING }}{V{ENRISING }}right)+I{h}}] [R 5=frac{R 4 × V{ENFLLING }}{V{STOP }-V{ENFALLING }+R 4left(I{p}+I{h}right)}] 其中 (I{p}=0.7μA)，(I{h}=1.55μA)，(V{ENFALLING }=1.19V)，(V_{ENRISING }=1.22V)。為了提高輕載效率，可以考慮選擇較大的 R4 和 R5。

二、測(cè)試設(shè)置與結(jié)果

2.1 輸入/輸出連接

2.2 效率

該 EVM 的效率在負(fù)載電流約為 0.5A 至 1A 時(shí)達(dá)到峰值，然后隨著負(fù)載電流向滿載增加而降低。在環(huán)境溫度為 25°C 時(shí)，效率曲線如圖 2 - 1 和圖 2 - 2 所示。由于內(nèi)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(huì)降低。

2.3 輸出電壓負(fù)載調(diào)整率

圖 2 - 3 展示了 TPS54302EVM - 716 的負(fù)載調(diào)整率，測(cè)量在環(huán)境溫度為 25°C 下進(jìn)行。

2.4 輸出電壓線性調(diào)整率

圖 2 - 4 展示了 TPS54302EVM - 716 的線性調(diào)整率。

2.5 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

圖 2 - 5 展示了 TPS54302EVM - 716 對(duì)負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)，電流階躍為 24V 輸入下最大額定負(fù)載的 25% 至 75%。

2.6 輸出電壓紋波

圖 2 - 6 至圖 2 - 9 展示了 TPS54302EVM - 716 在滿載、跳模式、輕載和無負(fù)載操作下的輸出電壓紋波，(V_{IN}) = 24V。紋波電壓直接在輸出電容器兩端測(cè)量。

2.7 輸入電壓紋波

圖 2 - 10 展示了 TPS54302EVM - 716 的輸入電壓紋波，輸出電流為額定滿載 3A，(V_{IN}) = 24V。紋波電壓直接在輸入電容器兩端測(cè)量。

2.8 上電

圖 2 - 11 和圖 2 - 12 展示了 TPS54302EVM - 716 的啟動(dòng)波形。在圖 2 - 11 中，當(dāng)輸入電壓達(dá)到由 R4 和 R5 電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的 UVLO 閾值時(shí)，輸出電壓開始上升。在圖 2 - 12 中，首先施加輸入電壓，通過在 EN 和 GND 之間使用 3.3V 邏輯信號(hào)抑制輸出。當(dāng) EN 電壓達(dá)到使能閾值電壓時(shí)，啟動(dòng)序列開始，輸出電壓上升到外部設(shè)定的 5V 值。

2.9 下電

圖 2 - 13 和圖 2 - 14 展示了 TPS54302EVM - 716 的關(guān)閉波形。在圖 2 - 13 中，當(dāng)輸入電壓低于由 R4 和 R5 電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的 UVLO 停止閾值時(shí)，輸出電壓開始下降。在圖 2 - 14 中，通過在 EN 和 GND 之間使用 3.3V 邏輯信號(hào)抑制輸出。

三、電路板布局

3.1 布局說明

圖 3 - 1 和圖 3 - 2 展示了 TPS54302EVM - 716 的電路板布局。EVM 的頂層布局采用典型的用戶應(yīng)用方式，頂層和底層均為 2oz 銅。頂層包含 (V{IN})、(V{OUT}) 和 SW 的主要電源走線，以及 TPS54302 其余引腳的連接和大面積的接地區(qū)域。為了使主輸入旁路電容盡可能靠近 (V{IN}) 和 GND 引腳，SW 走線在引腳 3 連接處立即路由到底層，在 L1 電感器和 C4 自舉電容處再路由回頂層。底層包含一個(gè)接地平面和一個(gè) SW 的銅填充區(qū)域，一條蝕刻走線將電壓設(shè)定點(diǎn)分壓器的上電阻連接到 J2 輸出連接器處的調(diào)節(jié)點(diǎn)，以及一條走線將 UVLO 設(shè)定點(diǎn)分壓器網(wǎng)絡(luò)的上電阻連接到 (V{IN})。頂層接地區(qū)域通過在電路板周圍放置多個(gè)過孔連接到底層和內(nèi)部接地平面，以提供從頂層接地區(qū)域到底層和內(nèi)部接地平面的熱路徑。輸入去耦電容（C2 和 C1）和自舉電容（C4）都盡可能靠近 IC 放置，此外，電壓設(shè)定點(diǎn)電阻分壓器組件也靠近 IC 放置。根據(jù) EVM 與輸入電源的連接情況，可能需要額外的輸入大容量電容。

四、原理圖和物料清單

4.1 原理圖

圖 4 - 1 為 TPS54302EVM - 716 的原理圖，展示了各個(gè)組件的連接關(guān)系。

4.2 物料清單

表 4 - 1 列出了 TPS54302EVM - 716 的物料清單，包括各個(gè)組件的設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)、數(shù)量、值、描述、封裝、參考零件編號(hào)和制造商等信息。

五、修訂歷史

文檔從 2016 年 5 月的版本到 2021 年 10 月的版本進(jìn)行了多次修訂，主要包括更新表格、圖形和交叉引用的編號(hào)格式，更新用戶指南標(biāo)題，以及在原理圖中切換“BOOT”和“SW”引腳標(biāo)簽等。

通過對(duì) TPS54302EVM - 716 評(píng)估模塊的詳細(xì)介紹，相信工程師們能夠更好地了解該模塊的性能和使用方法，為實(shí)際設(shè)計(jì)提供參考。在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過類似電源模塊的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。