TPS54620 降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊使用指南

在電子設計領域，電源模塊的性能和穩(wěn)定性至關重要。今天我們來深入了解一下德州儀器（Texas Instruments）的 TPS54620 降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊 TPS54620EVM - 374。

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一、引言

1.1 背景

TPS54620 是一款直流 - 直流轉(zhuǎn)換器，能夠提供高達 6A 的輸出電流。它采用了分離式輸入電源軌設計，為功率級和控制電路分別提供獨立的輸入電壓。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。評估模塊 TPS54620EVM - 374 提供了這兩種輸入，但在設計和測試時通常將 PVIN 連接到 VIN。其額定輸入電壓范圍為 8V 至 17V（VIN 啟動電壓為 6.521V），輸出電流范圍為 0A 至 6A。

該評估模塊旨在展示使用 TPS54620 調(diào)節(jié)器設計時可實現(xiàn)的小尺寸印刷電路板面積。開關頻率外部設定為標稱 480kHz，高側(cè)和低側(cè) MOSFET 以及柵極驅(qū)動電路集成在 TPS54620 封裝內(nèi)。MOSFET 的低漏源導通電阻使 TPS54620 能夠?qū)崿F(xiàn)高效率，并有助于在高輸出電流時保持較低的結(jié)溫。補償組件位于集成電路（IC）外部，通過外部分壓器可實現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)。此外，TPS54620 還提供可調(diào)的軟啟動、跟蹤和欠壓鎖定輸入功能。TPS54620EVM - 374 的絕對最大輸入電壓為 20V。

1.2 性能規(guī)格總結(jié)

1.3 模塊修改

該評估模塊旨在展示 TPS54620 的特性，同時也可以進行一些修改：

1.3.1 輸出電壓設定點

需要注意的是，(V_{IN}) 必須在一定范圍內(nèi)，以確保最小導通時間大于 120ns，最大占空比小于 95%。

1.3.2 軟啟動時間

軟啟動時間可以通過改變 C7 的值來調(diào)整。使用以下公式可以計算所需的 C7 值： [C7(nF)=frac{Tss(ms)×Iss(μA)}{Vref(V)}] 評估模塊默認使用 (C7 = 0.01μF)，實現(xiàn) 4ms 的軟啟動時間。

1.3.3 跟蹤輸入

TPS54620 可以在啟動時跟蹤外部電壓。J5 連接器用于連接外部電壓，通過電阻分壓器 R5 和 R6 可以實現(xiàn)比例跟蹤或同步跟蹤。具體細節(jié)可參考 TPS54620 數(shù)據(jù)手冊（SLVS949）。

1.3.4 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）

欠壓鎖定（UVLO）可以通過 R1 和 R2 進行外部調(diào)整。評估模塊使用 (R1 = 35.7kΩ) 和 (R2 = 8.06kΩ)，設定啟動電壓為 6.521V，停止電壓為 6.065V?？梢允褂靡韵鹿接嬎悴煌瑔雍屯Ｖ闺妷核璧碾娮柚担?[R1=frac{V{START}(frac{V{ENFALLING}}{V{ENFALLING}})-V{STOP}}{I{p}(1 - frac{V{ENFALLING}}{V{ENFALLING}})+I{th}}] [R2=frac{R1×V{ENFALLING}}{V{STOP}-V{ENFALLING}+R1(I{p}+I_{h})}]

1.3.5 輸入電壓軌

評估模塊設計為適應功率級和控制邏輯的不同輸入電壓水平。在正常操作時，通過 J3 上的跳線將 PVIN 和 VIN 輸入連接在一起，單個輸入電壓通過 J1 提供。如果需要，可移除 J3 上的跳線，將兩個輸入電壓分別通過 J1 和 J2 提供。

二、測試設置與結(jié)果

2.1 輸入/輸出連接

連接時，需要使用能夠提供 4A 電流的電源通過一對 20AWG 電線連接到 J1，J3 上的跳線必須就位。負載通過一對 20AWG 電線連接到 J7，最大負載電流能力為 6A。為減少電線損耗，應盡量縮短電線長度。測試點 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 作為接地參考。

2.2 效率

該評估模塊的效率在負載電流約為 2A 時達到峰值，然后隨著負載電流接近滿載而降低。在環(huán)境溫度為 25°C 時，其效率曲線如圖 2 - 1 所示。在較低輸出電流（低于 0.10A）下的效率曲線如圖 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降低。

2.3 輸出電壓負載調(diào)整率

圖 2 - 3 展示了 TPS54620EVM - 374 的負載調(diào)整率，測量在環(huán)境溫度為 25°C 下進行。

2.4 輸出電壓線性調(diào)整率

圖 2 - 4 展示了 TPS54620EVM - 374 的線性調(diào)整率。

2.5 負載瞬態(tài)響應

圖 2 - 5 展示了 TPS54620EVM - 374 對負載瞬態(tài)的響應，電流階躍為在 12V 輸入下從最大額定負載的 25% 到 75%。

2.6 環(huán)路特性

圖 2 - 6 展示了 TPS54620EVM - 374 的環(huán)路響應特性，增益和相位圖是在 (V_{IN}) 電壓為 12V、負載電流為 6A 時測量的。

2.7 輸出電壓紋波

圖 2 - 7 展示了 TPS54620EVM - 374 在輸出電流為額定滿載 6A、(V_{IN}=12V) 時的輸出電壓紋波，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 TPS54620EVM - 374 在輸出電流為額定滿載 4A、(VIN = 12V) 時的輸入電壓紋波，紋波電壓直接在輸入電容器兩端測量。

2.9 上電過程

圖 2 - 9 和圖 2 - 10 展示了 TPS54620EVM - 374 的啟動波形。在圖 2 - 9 中，當輸入電壓達到由 R1 和 R2 電阻分壓器網(wǎng)絡設定的 UVLO 閾值時，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。當移除跳線釋放 EN 時，當 EN 電壓達到啟用閾值電壓，啟動序列開始，輸出電壓上升到外部設定的 3.3V。這些圖的輸入電壓為 12V，負載為 1Ω。

2.10 熱特性

圖 2 - 11 展示了 TPS54620EVM - 374 在 12V 輸入和 6A 負載下運行時的熱圖像，無氣流，環(huán)境溫度為 25°C。IC 的峰值溫度（70°C）遠低于數(shù)據(jù)手冊中列出的最大推薦工作溫度 150°C。

三、電路板布局

3.1 布局

TPS54620EVM - 374 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用方式，頂層、底層和內(nèi)層均為 2 盎司銅。

頂層包含 PVIN、VIN、(VOUT) 和 VPHASE 的主要功率走線，還包括 TPS54620 其余引腳的連接以及大面積的接地區(qū)域。底層和內(nèi)層僅包含接地平面。頂層接地走線通過多個過孔連接到底層和內(nèi)層接地平面，包括 TPS54620 器件正下方的兩個過孔，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，電壓設定點電阻分壓器組件也靠近 IC。電壓分壓器網(wǎng)絡在調(diào)節(jié)點（J7 輸出連接器處的銅 (Vout) 走線）連接到輸出電壓。對于 TPS54620，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。關鍵模擬電路，如電壓設定點分壓器、頻率設定電阻、軟啟動電容器和補償組件，使用與功率接地層分開的寬接地走線接地。

3.2 估計電路面積

該設計中使用的組件的估計印刷電路板面積為 (0.58in^{2}(374mm^{2}))，此面積不包括測試點或連接器。

四、原理圖和物料清單

4.1 原理圖

圖 4 - 1 是 TPS54620EVM - 374 的原理圖。

4.2 物料清單