TPS54622 降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊使用指南

在電子工程師的日常工作中，降壓轉(zhuǎn)換器是一個常見且關(guān)鍵的組件。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（Texas Instruments）的 TPS54622 降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊（TPS54622EVM - 012）。

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一、引言

1.1 背景

TPS54622 是一款直流 - 直流（dc/dc）轉(zhuǎn)換器，能夠提供高達 6A 的輸出電流。它采用了分離輸入電源軌設(shè)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）的額定電壓范圍為 1.6V 至 17V，而控制輸入（VIN）的額定電壓范圍為 4.5V 至 17V。評估模塊 TPS54622EVM - 012 同時提供這兩個輸入，但在設(shè)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 TPS54622 穩(wěn)壓器設(shè)計時可實現(xiàn)的小印刷電路板面積。開關(guān)頻率外部設(shè)定為標稱 480kHz，高端和低端 MOSFET 以及柵極驅(qū)動電路都集成在 TPS54622 封裝內(nèi)。MOSFET 的低漏源導通電阻使得 TPS54622 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，TPS54622 還提供可調(diào)的軟啟動、跟蹤和欠壓鎖定輸入功能。TPS54622EVM - 012 的絕對最大輸入電壓為 20V。

1.2 性能規(guī)格總結(jié)

1.3 修改方法

這個評估模塊可以進行一些修改，以滿足不同的應(yīng)用需求：

• 輸出電壓設(shè)定點：輸出電壓由 R6 和 R7 組成的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)定，R6 固定為 10kΩ。要改變 EVM 的輸出電壓，需要改變電阻 R7 的值?？梢允褂霉?(R7=frac{10kΩ × 0.6V}{V{OUT}-0.6V}) 計算特定輸出電壓下 R7 的值。表 1 - 3 列出了一些常見輸出電壓對應(yīng)的 R7 值。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%。	R7 值（kΩ）	輸出電壓（V）
  1.8	4.99
  2.5	3.16
  3.3	2.21
  5	1.37

• 軟啟動時間：軟啟動時間可以通過改變 C9 的值來調(diào)整。使用公式 (C9(nF)=frac{Tss(ms) × lss(mu A)}{Vref(V)}) 計算所需的 C9 值。EVM 使用 (C9 = 0.01mu F) 時，軟啟動時間約為 6ms。
• 跟蹤輸入：TPS54622 可以在啟動期間跟蹤外部電壓。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)比例或同步跟蹤。具體細節(jié)可參考 TPS54622 數(shù)據(jù)手冊（SLVSA70）。
• 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）：欠壓鎖定可以通過 R1 和 R2 進行外部調(diào)整。EVM 使用 (R1 = 35.7kΩ) 和 (R2 = 8.06kΩ) 時，啟動電壓為 6.528V，停止電壓為 6.190V?？梢允褂霉?(R1=frac{V{START}(frac{V{ENFIRALIDING}}{V{ESINITION}})-V{STOP}}{I{p}(1 - frac{V{ENFIRALING}}{V{ENFIRING}})+I{h}}) 和 (R2=frac{R1 × V{ENFALLING}}{V{STOP}-V{ENFALLIING}+R1(I{p}+I_{h})}) 計算不同啟動和停止電壓所需的電阻值。
• 輸入電壓軌：EVM 設(shè)計為可適應(yīng)功率級和控制邏輯的不同輸入電壓水平。正常運行時，PVIN 和 VIN 輸入通過 J5 上的跳線連接，單個輸入電壓從 J1 提供。如果需要，可以移除 J5 上的跳線，將兩個輸入電壓軌分開，此時需要在 J1 和 J4 分別提供兩個輸入電壓。

二、測試設(shè)置和結(jié)果

2.1 輸入/輸出連接

連接時，需要一個能夠提供 4A 電流的電源通過一對 20AWG 電線連接到 J1，J5 上的跳線必須就位。負載通過一對 20AWG 電線連接到 J2，最大負載電流能力必須為 6A。為了減少電線中的損耗，應(yīng)盡量縮短電線長度。測試點 TP1 用于監(jiān)測 (V_{IN}) 輸入電壓，TP2 作為接地參考；TP3 用于監(jiān)測輸出電壓，TP5 作為接地參考。

2.2 效率

該 EVM 的效率在負載電流約為 2A 時達到峰值，然后隨著負載電流向滿載增加而降低。圖 2 - 1 和圖 2 - 2 分別展示了在環(huán)境溫度為 25°C 時，TPS54622EVM - 012 的效率和低電流效率。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 TPS54622EVM - 012 的負載調(diào)整率，測量是在環(huán)境溫度為 25°C 下進行的。

2.4 輸出電壓線性調(diào)整率

圖 2 - 4 展示了 TPS54622EVM - 012 的線性調(diào)整率。

2.5 負載瞬態(tài)響應(yīng)

圖 2 - 5 展示了 TPS54622EVM - 012 對負載瞬態(tài)的響應(yīng)。在 12V 輸入下，電流階躍從最大額定負載的 25% 到 75%，電流階躍轉(zhuǎn)換速率為 100mA/μsec。

2.6 環(huán)路特性

圖 2 - 6 展示了 TPS54622EVM - 012 的環(huán)路響應(yīng)特性，測量時 (V_{IN}) 電壓為 12V，負載電流為 1.9A。

2.7 輸出電壓紋波

圖 2 - 7 展示了 TPS54622EVM - 012 在輸出電流為額定滿載 6A 且 (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 TPS54622EVM - 012 在輸出電流為額定滿載 6A 且 (V_{IN}=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

圖 2 - 9 和圖 2 - 10 展示了 TPS54622EVM - 012 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(luò)設(shè)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 J3 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(shè)定的 3.3V。

2.10 預偏置啟動

TPS54622 設(shè)計為可以在預偏置輸出的情況下啟動，在軟啟動序列開始時，輸出電壓不會放電到地。圖 2 - 11 展示了輸出電壓預偏置到 1V 時的啟動波形。

2.11 打嗝模式電流限制

TPS54622 具有打嗝模式電流限制功能。當發(fā)生過流事件時，TPS54622 會關(guān)閉并重新啟動。圖 2 - 12 展示了過流情況下的重啟序列。

三、電路板布局

3.1 布局說明

TPS54622EVM - 012 的電路板布局如圖 3 - 1 至圖 3 - 5 所示。EVM 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)層均為 2oz 銅。

頂層包含 PVIN、VIN、(V_{OUT}) 和 VPHASE 的主要電源走線，以及 TPS54622 其余引腳的連接和大面積的接地區(qū)域。底層和內(nèi)層接地層僅包含接地平面。頂層接地走線通過多個過孔與底層和內(nèi)層接地平面連接，包括 TPS54622 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（C1 和 C2）和自舉電容器（C3）都盡可能靠近 IC 放置。此外，電壓設(shè)定點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（J2 輸出連接器處的銅 (V_{out}) 走線）連接到輸出電壓。對于 TPS54622，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器。關(guān)鍵的模擬電路，如電壓設(shè)定點分壓器、頻率設(shè)定電阻、軟啟動電容器和補償組件，使用與電源接地層分開的寬接地走線接地。

四、原理圖和物料清單

4.1 原理圖

圖 4 - 1 是 TPS54622EVM - 012 的原理圖。

4.2 物料清單