TPS54521 降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊使用指南

一、引言

1.1 背景

TPS54521 是一款 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，能夠提供高達(dá) 5A 的輸出電流。它采用了分離式輸入電源軌設(shè)計(jì)，功率級和控制電路分別有獨(dú)立的輸入電壓。功率級輸入（PVIN）額定電壓范圍為 1.6V 至 17V，控制輸入（VIN）額定電壓范圍為 4.5V 至 17V。TPS54521EVM - 607 評估模塊為這兩個(gè)輸入都提供了接口，但在設(shè)計(jì)和測試時(shí)，通常將 PVIN 連接到 VIN。該評估模塊的額定輸入電壓范圍是 8V 至 17V（VIN 啟動電壓為 6.806V），輸出電流范圍是 0A 至 5A。其開關(guān)頻率外部設(shè)定為標(biāo)稱 480kHz，高側(cè)和低側(cè) MOSFET 以及柵極驅(qū)動電路都集成在 TPS54521 封裝內(nèi)，補(bǔ)償組件在集成電路（IC）外部，通過外部分壓器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)。此外，TPS54521 還具備可調(diào)慢啟動、跟蹤和欠壓鎖定輸入功能，TPS54521EVM - 607 的絕對最大輸入電壓為 20V。

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1.2 性能規(guī)格總結(jié)

1.3 修改

1.3.1 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)

1.3.2 慢啟動時(shí)間

慢啟動時(shí)間可通過改變 C7 的值進(jìn)行調(diào)整，使用公式 (C 7(nF)=frac{Tss(m s) × Iss(mu A)}{Vref(V)}) 可計(jì)算出所需的 C7 值。評估模塊默認(rèn)使用 C7 = 0.01μF 實(shí)現(xiàn) 3.5ms 的慢啟動時(shí)間。

1.3.3 跟蹤輸入

TPS54521 在啟動時(shí)可以跟蹤外部電壓，J5 連接器用于連接該外部電壓。通過電阻分壓器 R5 和 R6 可實(shí)現(xiàn)比例或同步跟蹤，具體細(xì)節(jié)可參考 TPS54521 的數(shù)據(jù)手冊。

1.3.4 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）

欠壓鎖定（UVLO）可通過 R1 和 R2 進(jìn)行外部調(diào)整。評估模塊使用 (R 1 = 511 k Omega) 和 (R 2 = 100 k Omega) 將啟動電壓設(shè)定為 6.806V，停止電壓設(shè)定為 4.824V。使用公式 (R 1=frac{V{START }left(frac{V{ENFALLING }}{V{ENRISHING }}right)-V{STOP }}{I{p}left(1-frac{V{ENFALING }}{V{ENRISING }}right)+I{h}}) 和 (R 2=frac{R 1 × V{E N F A L L I B G}}{V{S T O P}-V{E N F A L L I N G}+R 1left(I{p}+I_{h}right)}) 可計(jì)算出不同啟動和停止電壓所需的電阻值。

1.3.5 輸入電壓軌

評估模塊設(shè)計(jì)為可適應(yīng)功率級和控制邏輯的不同輸入電壓水平。正常工作時(shí)，通過 JP1 跳線將 PVIN 和 VIN 輸入連接在一起，單個(gè)輸入電壓通過 J1 提供。若需要，可移除 JP1 上的跳線，將這兩個(gè)輸入電壓軌分開，此時(shí)需通過 J1 和 J2 分別提供兩個(gè)輸入電壓。若需要，可使用 C1 為 PVIN 輸入添加額外的輸入電容。

二、測試設(shè)置與結(jié)果

2.1 輸入/輸出連接

連接時(shí)，需使用能夠提供 3A 電流的電源通過一對 20AWG 電線連接到 J1，并且 JP1 上的跳線必須就位。負(fù)載需通過一對 20AWG 電線連接到 J3，最大負(fù)載電流能力為 5A。為減少電線中的損耗，應(yīng)盡量縮短電線長度。測試點(diǎn) TP1 用于監(jiān)測 (VIN) 輸入電壓，TP2 提供方便的接地參考；TP8 用于監(jiān)測輸出電壓，TP9 為接地參考。

2.2 效率

該評估模塊的效率在負(fù)載電流約為 1.1A 時(shí)達(dá)到峰值，隨后隨著負(fù)載電流接近滿載而降低。圖 2 - 1 展示了在環(huán)境溫度為 25°C 時(shí) TPS54521EVM - 607 的效率曲線。圖 2 - 2 則顯示了在環(huán)境溫度為 25°C、輸出電流低于 0.10A 時(shí)的效率曲線。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，效率可能會降低。

2.3 輸出電壓負(fù)載調(diào)整率

圖 2 - 3 展示了 TPS54521EVM - 607 的負(fù)載調(diào)整率，測量是在環(huán)境溫度為 25°C 下進(jìn)行的。

2.4 輸出電壓線性調(diào)整率

圖 2 - 4 展示了 TPS54521EVM - 607 的線性調(diào)整率。

2.5 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

圖 2 - 5 展示了 TPS54521EVM - 607 在 12V 輸入下，電流從 2A 階躍到 4A 時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)，包括輸出上的紋波和噪聲在內(nèi)的總峰 - 峰電壓變化如圖所示。

2.6 環(huán)路特性

圖 2 - 6 展示了 TPS54521EVM - 607 在 (V_{IN}) 電壓為 12V、負(fù)載電流為 5A 時(shí)的環(huán)路響應(yīng)特性，包括增益和相位圖。

2.7 輸出電壓紋波

圖 2 - 7 展示了 TPS54521EVM - 607 在輸出電流為額定滿載 5A、(V_{IN}=12V) 時(shí)的輸出電壓紋波，紋波電壓直接在輸出電容器兩端測量。

2.8 輸入電壓紋波

圖 2 - 8 展示了 TPS54521EVM - 607 在輸出電流為額定滿載 5A、(V_{IN}=12V) 時(shí)的輸入電壓紋波，紋波電壓直接在輸入電容器兩端測量。

2.9 上電

圖 2 - 9 和圖 2 - 10 展示了 TPS54521EVM - 607 的啟動波形。在圖 2 - 9 中，當(dāng)輸入電壓達(dá)到由 R1 和 R2 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 - 10 中，首先施加輸入電壓，通過 J2 上的跳線將 EN 連接到地來抑制輸出。移除跳線后，EN 釋放，當(dāng) EN 電壓達(dá)到使能閾值電壓時(shí)，啟動序列開始，輸出電壓上升到外部設(shè)定的 3.3V。這兩個(gè)圖的輸入電壓均為 12V，負(fù)載為 0.66Ω。

2.10 打嗝過流模式操作

圖 2 - 11 展示了 TPS54521EVM - 607 在輸出接近短路（0.1Ω 負(fù)載）條件下的工作情況。如果高端 MOSFET 中的電流連續(xù) 512 個(gè)開關(guān)周期達(dá)到電流限制，TPS54521 將進(jìn)入打嗝過流保護(hù)模式，并在接下來的 16384 個(gè)周期內(nèi)停止開關(guān)（打嗝）。

2.11 熱特性

本節(jié)展示了 TPS54521EVM - 607 在 12V 輸入、5A 負(fù)載下運(yùn)行時(shí)的熱圖像以及 EVM 電路的結(jié)溫與輸出電流的關(guān)系圖。在無氣流、環(huán)境溫度為 25°C 的條件下，IC 的峰值溫度（91.9°C）低于數(shù)據(jù)手冊中列出的最大推薦工作溫度 125°C。

三、電路板布局

3.1 布局

TPS54521EVM - 607 的電路板布局如圖 3 - 1 至圖 3 - 5 所示。評估模塊的頂層布局采用了典型的用戶應(yīng)用方式，頂層、底層和內(nèi)部層均為 2oz 銅。頂層包含 PVIN、VIN、(VOUT) 和 VPHASE 的主要功率走線，還包括 TPS54521 其余引腳的連接以及大面積的接地區(qū)域。底層和內(nèi)部接地層僅包含接地平面。頂層接地走線通過分布在電路板周圍的多個(gè)過孔連接到底層和內(nèi)部接地平面，其中包括 TPS54521 器件正下方的兩個(gè)過孔，以提供從頂層接地平面到底層接地平面的熱路徑。輸入去耦電容器（C2 和 C3）和自舉電容器（C5）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。電壓分壓器網(wǎng)絡(luò)在調(diào)節(jié)點(diǎn)（J3 輸出連接器處的銅 (Vout) 走線）與輸出電壓相連。對于 TPS54521，根據(jù)評估模塊與輸入電源的連接情況，可能需要額外的輸入大容量電容器。關(guān)鍵模擬電路，如電壓設(shè)定點(diǎn)分壓器、頻率設(shè)定電阻、慢啟動電容器和補(bǔ)償組件，使用與功率接地層分離的寬接地走線接地。

3.2 估計(jì)電路面積

該設(shè)計(jì)中使用的組件的估計(jì)印刷電路板面積為 (246 in^{2}(0.38 ~mm^{2}))，此面積不包括測試點(diǎn)或連接器。

四、原理圖和物料清單

4.1 原理圖

圖 4 - 1 為 TPS54521EVM - 607 的原理圖。

4.2 物料清單