探索TPS55010EVM - 051：低功耗隔離型雙輸出轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與性能
探索TPS55010EVM - 051：低功耗隔離型雙輸出轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與性能
在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能和設(shè)計(jì)合理性直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來(lái)深入探討德州儀器（Texas Instruments）的TPS55010EVM - 051評(píng)估模塊，一款低功耗、隔離型的Fly - buck?雙輸出轉(zhuǎn)換器。
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一、概述
TPS55010EVM - 051評(píng)估模塊專為從4.5V至5.5V的輸入電壓源提供雙40mA輸出而設(shè)計(jì)。該模塊旨在展示使用TPS55010穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)時(shí)可實(shí)現(xiàn)的小尺寸印刷電路板面積。其開關(guān)頻率外部設(shè)定為標(biāo)稱400kHz，內(nèi)部集成了高端和低端MOSFET以及柵極驅(qū)動(dòng)電路，MOSFET的低漏源導(dǎo)通電阻有助于實(shí)現(xiàn)良好的效率。補(bǔ)償組件位于集成電路外部，外部分壓器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)，此外還提供可調(diào)慢啟動(dòng)和欠壓鎖定輸入。該評(píng)估模塊的絕對(duì)最大輸入電壓為7V。
1.1 輸入輸出參數(shù)
| EVM | 輸入電壓范圍 | 輸出電流范圍 |
|---|---|---|
| TPS55010EVM - 051 | VIN = 3V至6V | 0A至40mA（雙輸出） |
1.2 性能規(guī)格總結(jié)
| 以下是TPS55010EVM - 051在輸入電壓(V_{IN}=5V)、輸出電壓5V（除非另有說(shuō)明）、環(huán)境溫度25°C（除非另有注明）條件下的性能規(guī)格： | 參數(shù) | 條件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 輸出電壓 | 4.5V ≤ (V{IN}) ≤ 5.5V，(I{LOAD}) = ± 40mA | 5V ± 14 | ± 15 | ± 21 | V | |
| 輸出電流 | 4.5V ≤ (V_{IN}) ≤ 5.5V | ± 0.04A | ||||
| 輸出紋波電壓（峰 - 峰） | (I{LOAD}) = ± 40mA，(V{IN}) = 5V | 15 | mV | |||
| 開關(guān)頻率 | (I{LOAD}) = ± 40mA，(V{IN}) = 5V | 400 | kHz | |||
| 端到端效率 | (I{LOAD}) = ± 40mA，(V{IN}) = 5V | 90 | % | |||
| 線性調(diào)整率 | (I{LOAD}) = ± 20mA，4.5V ≤ (V{IN}) ≤ 5.5V，(V_{IN}) = 5V | ± 0.25 | V | |||
| 負(fù)載調(diào)整率 | (I{LOAD}) = 5mA至40mA，(V{IN}) = 5V | ± 2 | V | |||
| 控制環(huán)路交叉頻率 | (I_{LOAD}) = ± 40mA | 0.6 | kHz | |||
| 慢啟動(dòng) | 40 | ms | ||||
| 工作溫度 | - 25 | 85 | °C |
二、測(cè)試設(shè)置與結(jié)果
2.1 輸入/輸出連接
TPS55010EVM - 051配備了輸入/輸出連接器和測(cè)試點(diǎn)。需使用能夠提供0.5A電流的電源通過(guò)一對(duì)20AWG電線連接到J1。測(cè)試點(diǎn)TP2用于監(jiān)測(cè)(V_{IN})輸入電壓，TP5作為方便的接地參考。TP10和TP13用于監(jiān)測(cè)和加載輸出電壓，TP4和TP14作為接地參考。
2.2 效率
在環(huán)境溫度為25°C時(shí)，TPS55010EVM - 051的效率如圖1所示。不過(guò)，由于內(nèi)部MOSFET漏源電阻的溫度變化，在較高環(huán)境溫度下效率可能會(huì)降低。
2.3 負(fù)載調(diào)整率
圖2展示了在環(huán)境溫度25°C時(shí)TPS55010EVM - 051的負(fù)載調(diào)整率情況。
2.4 線性調(diào)整率
圖3呈現(xiàn)了在環(huán)境溫度25°C時(shí)TPS55010EVM - 051的線性調(diào)整率情況。
2.5 環(huán)路特性
TPS55010EVM - 051的環(huán)路響應(yīng)特性如圖4所示。在(V_{IN}=5V)、負(fù)載電流為± 40mA時(shí)，單位增益帶寬為600Hz，相位裕度為45度。
2.6 輸出電壓紋波
圖5展示了在輸出電流為額定滿載± 40mA、(V_{IN}=5V)時(shí)的輸出電壓紋波情況，紋波電壓直接在正輸出電容兩端測(cè)量。
2.7 輸入電壓紋波
圖6展示了在輸出電流為額定滿載± 40mA、(V_{IN}=5V)時(shí)的輸入電壓紋波情況，紋波電壓直接在輸入電容兩端測(cè)量。
2.8 上電情況
圖7展示了在(V{IN})上升且輸出加載360Ω時(shí)的啟動(dòng)波形。當(dāng)(V{IN})達(dá)到4.5V的上升欠壓鎖定（UVLO）值時(shí)，輸出開始上升。
三、電路板布局
3.1 布局設(shè)計(jì)
TPS55010EVM - 051的電路板布局如圖8 - 11所示。評(píng)估模塊的頂層布局采用了典型的用戶應(yīng)用方式，頂層和底層為2盎司銅?；镜牟季譁?zhǔn)則包括：
- 將輸入電容靠近TPS55010的(V_{IN})和GND端子放置。
- 合理安排變壓器、輸入電容和穩(wěn)壓電容，以最小化環(huán)路面積。
- 將模擬控制電路（COMP、VSENSE、RT/CLK和SS引腳）的GND端連接在一起，并與主電源GND分開，在單點(diǎn)將該模擬GND走線/形狀連接到電源GND（TPS55010的PowerPAD?IC封裝）。
3.2 估計(jì)電路面積
該設(shè)計(jì)中使用的組件估計(jì)印刷電路板面積為0.70平方英寸，此面積不包括測(cè)試點(diǎn)或連接器。
四、原理圖與物料清單
4.1 原理圖
圖12為TPS55010EVM - 051的原理圖。
4.2 物料清單
| 數(shù)量 | 參考編號(hào) | 值 | 描述 | 尺寸 | 零件編號(hào) | 制造商 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | C1 | 47μF | 陶瓷電容，10V，X5R，10% | 1210 | Std | Std |
| 4 | C2, C3, C5, C11 | 0.1μF | 陶瓷電容，16V，X7R，10% | 0603 | Std | Std |
| 1 | C4 | 1000pF | 陶瓷電容，2kV，X7R，10% | 1210 | Std | Std |
| 1 | C7 | 10μF | 陶瓷電容，10V，X5R，10% | 1206 | Std | Std |
| 2 | C8, C9 | 10μF | 陶瓷電容，25V，X5R，10% | 1210 | Std | Std |
| 0 | C10 | DNP | 陶瓷電容，16V，X7R，10% | 0603 | Std | Std |
| 1 | C12 | 220μF | 鋁電解電容，6.3V，±20% | 0.260 x 0.276英寸 | EEE - FK0J221P | Panasonic |
| 2 | D1, D4 | BZT52C18V | 齊納二極管，平面功率，500mW，18V | SOD - 123 | BZT52C18 - 7 - F | Diodes, Inc |
| 2 | D2, D3 | B1100 | 肖特基二極管，1000 - mA，100 - V | SMA | B1100 - 13 - F | Diodes, Inc |
| 1 | J1 | ED555/2DS | 2引腳端子塊，6 - A，3.5mm | 0.27 x 0.25英寸 | ED555/2DS | OST |
| 1 | R1 | 100k | 貼片電阻，1/16W，1% | 0603 | Std | Std |
| 1 | R2 | 71.5k | 貼片電阻，1/16W，1% | 0603 | Std | Std |
| 1 | R3 | 26.7k | 貼片電阻，1/16W，1% | 0603 | Std | Std |
| 2 | R4, R11 | 2k | 貼片電阻，1/16W，1% | 0603 | Std | Std |
| 1 | R5 | 49.9 | 貼片電阻，1/16W，1% | 0603 | Std | Std |
| 1 | R7 | 13.7k | 貼片電阻，1/16W，1% | 0603 | Std | Std |
| 0 | R8 | DNP | 貼片電阻，1/16W，1% | 0603 | Std | Std |
| 1 | R9 | 237k | 貼片電阻，1/16W，1% | 0603 | Std | Std |
| 1 | R10 | 61.9k | 貼片電阻，1/16W，1% | 0603 | Std | Std |
| 4 | TP1, TP3, TP6, TP11 | 5012 | 白色通孔測(cè)試點(diǎn) | 0.125 x 0.125英寸 | 5012 | Keystone |
| 4 | TP2, TP9, TP10, TP13 | 5010 | 紅色通孔測(cè)試點(diǎn) | 0.125 x 0.125英寸 | 5010 | Keystone |
| 4 | TP4, TP5, TP12, TP14 | 5011 | 黑色通孔測(cè)試點(diǎn) | 0.125 x 0.125英寸 | 5011 | Keystone |
| 2 | TP7, TP8 | 5013 | 橙色通孔測(cè)試點(diǎn) | 0.125 x 0.125英寸 | 5013 | Keystone |
| 1 | T1 | 2μH | 變壓器，±10% | 0.410 x 0.510英寸 | 750311780 | Wurth |
| 1 | U1 | TPS55010RTE | DC - DC轉(zhuǎn)換器IC，QFN - 16 | TPS55010RTE | TI | |
| 1 | PCB | 2.5英寸 x 1.5英寸 x 0.062英寸 | 2.5" x 2.5" x 0.062" | PWR051 | Any |
五、重要注意事項(xiàng)
5.1 評(píng)估板使用限制
該評(píng)估板僅用于工程開發(fā)、演示或評(píng)估目的，并非適合一般消費(fèi)者使用的成品。使用者需具備電子培訓(xùn)知識(shí)并遵守良好的工程實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)。
5.2 電氣安全
操作時(shí)需確保在輸入電壓4V至6V、輸出電壓 - 22V至 + 22V的范圍內(nèi)，超出指定范圍可能導(dǎo)致意外操作和/或?qū)υu(píng)估板造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。正常運(yùn)行時(shí)，部分電路組件的外殼溫度可能超過(guò)60°C，操作時(shí)需注意避免燙傷。
5.3 法規(guī)合規(guī)
該評(píng)估板可能未經(jīng)過(guò)FCC、IC等相關(guān)法規(guī)測(cè)試，使用時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生射頻干擾，使用者需自行采取措施糾正干擾。在日本使用該產(chǎn)品需遵守相關(guān)電波法規(guī)定。
在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電子工程師們需要綜合考慮TPS55010EVM - 051的各項(xiàng)性能指標(biāo)和注意事項(xiàng)，以確保設(shè)計(jì)出穩(wěn)定、高效的電源系統(tǒng)。大家在使用過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。
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電源模塊
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關(guān)注
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