TPS54550 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，降壓轉(zhuǎn)換器是一種常見(jiàn)且關(guān)鍵的元件，它能夠?qū)⑤^高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的穩(wěn)定輸出電壓，滿足各種電子設(shè)備的供電需求。德州儀器（Texas Instruments）的 TPS54550 降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊（TPS54550EVM - 158）為工程師們提供了一個(gè)便捷的平臺(tái)，用于評(píng)估和開(kāi)發(fā)相關(guān)應(yīng)用。本文將圍繞該評(píng)估模塊展開(kāi)詳細(xì)介紹，希望能為電子工程師們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

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一、背景知識(shí)

1.1 TPS54550 基本特性

TPS54550 是一款 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，能夠在 4.5V 至 20V 的輸入電壓源下提供高達(dá) 6A 的輸出電流。評(píng)估模塊的額定輸入電壓范圍為 6V 至 17V，輸出電流范圍為 0A 至 5A。其開(kāi)關(guān)頻率內(nèi)部設(shè)定為標(biāo)稱 700kHz，并且在 TPS54550 封裝內(nèi)集成了高端 MOSFET 和柵極驅(qū)動(dòng)電路。MOSFET 較低的漏源導(dǎo)通電阻使得 TPS54550 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。此外，通過(guò)外部分壓器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)，外部補(bǔ)償組件則能適應(yīng)廣泛的輸出濾波組件。同時(shí)，該轉(zhuǎn)換器還提供了使能輸入功能，其絕對(duì)最大輸入電壓為 20V。

1.2 評(píng)估模塊設(shè)計(jì)目的

該評(píng)估模塊旨在展示使用 TPS54550 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí)所能實(shí)現(xiàn)的小尺寸印刷電路板面積。由于 3.3V 輸出電壓的要求，評(píng)估模塊的最大輸入電壓設(shè)定為 17V。

二、性能規(guī)格總結(jié)

2.1 測(cè)試條件說(shuō)明

除非另有說(shuō)明，性能規(guī)格測(cè)試均在輸入電壓 (V_{IN}=12V)、輸出電壓為 3.3V、環(huán)境溫度為 25°C 的條件下進(jìn)行。TPS54550EVM - 158 設(shè)計(jì)并測(cè)試的輸入電壓范圍為 6V 至 17V，其最大輸入電壓為 20V。

2.2 具體性能指標(biāo)

三、模塊修改

3.1 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)調(diào)整

3.2 輸入電壓范圍

評(píng)估模塊設(shè)計(jì)為在標(biāo)稱 12V 或 15V 下工作，工作輸入電壓范圍為 6V 至 17V。而 TPS54550 規(guī)定的輸入電壓范圍為 4.5V 至 20V。上限電壓設(shè)定為 17V 是由于最小導(dǎo)通時(shí)間的限制，以保證 3.3V 的輸出。

四、測(cè)試設(shè)置與結(jié)果

4.1 輸入/輸出連接

TPS54550EVM - 158 配備了輸入/輸出連接器和測(cè)試點(diǎn)。通過(guò)一對(duì) 20AWG 電線將能夠提供 3A 電流的電源連接到 J1，負(fù)載則通過(guò)另一對(duì) 20AWG 電線連接到 J3，最大負(fù)載電流能力為 5A。為減少電線損耗，應(yīng)盡量縮短電線長(zhǎng)度。測(cè)試點(diǎn) TP1 用于監(jiān)測(cè) (V_{IN}) 輸入電壓，TP2 作為接地參考；TP3 用于監(jiān)測(cè)輸出電壓，TP4 作為接地參考。

4.2 效率

TPS54550EVM - 158 的效率在負(fù)載電流約為 1A 至 3A 時(shí)達(dá)到峰值，具體取決于輸入電壓，隨后隨著負(fù)載電流接近滿載而降低。在環(huán)境溫度為 25°C 時(shí)，效率會(huì)受到 MOSFET 漏源電阻溫度變化的影響，在較高環(huán)境溫度下效率會(huì)降低。

4.3 輸出電壓調(diào)節(jié)

輸出電壓的負(fù)載調(diào)整率和線性調(diào)整率分別如圖 4 - 2 和圖 4 - 3 所示，測(cè)量均在環(huán)境溫度為 25°C 的條件下進(jìn)行。

4.4 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

TPS54550EVM - 158 對(duì)負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)如圖 4 - 4 所示，電流階躍為最大額定負(fù)載的 25% 至 75%，輸出的總峰 - 峰電壓變化包括紋波和噪聲。

4.5 環(huán)路特性

TPS54550EVM - 158 的環(huán)路響應(yīng)特性如圖 4 - 5 所示，展示了 (V_{IN}) 電壓為 12V、負(fù)載電流為 2.5A 時(shí)的增益和相位圖。

4.6 輸出電壓紋波

TPS54550EVM - 158 的輸出電壓紋波如圖 4 - 6 所示，輸入電壓 (V_{IN}=12V)，輸出電流為額定滿載 5A，電壓直接在輸出電容兩端測(cè)量。

4.7 輸入電壓紋波

輸入電壓紋波如圖 4 - 7 所示，輸入電壓 (V_{IN}=12V)，每個(gè)器件的輸出電流為 TPS54550EVM - 158 的滿載 5A。

4.8 上電過(guò)程

TPS54550EVM - 158 的啟動(dòng)波形如圖 4 - 8 所示。(V_{IN}) 從 0V 充電至 12V，當(dāng)輸入電壓達(dá)到內(nèi)部設(shè)定的欠壓鎖定（UVLO）閾值電壓時(shí)，慢啟動(dòng)序列開(kāi)始。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延遲后，內(nèi)部參考電壓以內(nèi)部設(shè)定的慢啟動(dòng)速率線性上升至 0.891V，輸出電壓則上升至設(shè)定的 5V。可以通過(guò)在 JP1 處使用跳線將 EN 連接到 GND 來(lái)抑制輸出，移除跳線后，EN 釋放，慢啟動(dòng)電壓以內(nèi)部設(shè)定的速率上升，當(dāng) EN 電壓達(dá)到 1.06V 的使能閾值電壓時(shí)，啟動(dòng)序列如前文所述開(kāi)始。

五、電路板布局

5.1 布局特點(diǎn)

TPS54550EVM - 158 的電路板布局如圖 5 - 1 至圖 5 - 3 所示。頂層和底層采用 2oz 銅，頂層包含 (V_{IN})、OUT 和 VPHASE 的主要功率走線，以及 TPS54550 其余引腳的連接和大面積的接地區(qū)域；底層包含接地和一些信號(hào)走線。頂層、底層和內(nèi)部接地走線通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連接，包括 TPS54550 器件正下方的四個(gè)過(guò)孔，為 PowerPAD? 焊盤(pán)到接地提供了熱路徑。輸入去耦電容（C1）和自舉電容（C3）盡可能靠近 IC 放置，電壓設(shè)定點(diǎn)電阻分壓器組件也靠近 IC，電壓分壓器網(wǎng)絡(luò)在調(diào)節(jié)點(diǎn)與輸出電容 C3 相鄰處連接到輸出電壓。

六、原理圖與物料清單

6.1 原理圖

TPS54550EVM - 158 的原理圖如圖 6 - 1 所示。

6.2 物料清單

七、總結(jié)

通過(guò)對(duì) TPS54550 降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊的詳細(xì)介紹，我們了解了其基本特性、性能規(guī)格、模塊修改方法、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方面的內(nèi)容。對(duì)于電子工程師來(lái)說(shuō)，這些信息有助于在實(shí)際設(shè)計(jì)中更好地使用該評(píng)估模塊，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的降壓轉(zhuǎn)換應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過(guò)類似降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？又采取了哪些解決方案呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。