TPS56221 降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊使用指南

一、引言

在電子設(shè)計中，電源模塊的性能至關(guān)重要。TPS56221EVM - 579 評估模塊是一款同步降壓轉(zhuǎn)換器，能從 12V 輸入總線提供高達(dá) 25A 的 1.0V 固定輸出。它使用了集成 MOSFET 的 TPS56221 高電流同步降壓轉(zhuǎn)換器，將 TI 的高性能控制器技術(shù)與領(lǐng)先的 MOSFET 技術(shù)集成在標(biāo)準(zhǔn) QFN 封裝中，滿足現(xiàn)代高電流、空間受限應(yīng)用的需求。大家在實際設(shè)計中，是否也遇到過需要高電流、小體積電源模塊的情況呢？

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二、模塊描述

2.1 應(yīng)用場景

該模塊適用于多種場景，如高電流、低電壓的 FPGA 或微控制器核心電源、高電流負(fù)載點模塊、電信設(shè)備以及計算機外設(shè)等。這些應(yīng)用場景都對電源的性能和體積有較高要求，TPS56221EVM - 579 正好能滿足這些需求。

2.2 特性

• 輸入電壓范圍：8V 至 14V，具有較寬的輸入電壓適應(yīng)性。
• 輸出電壓：1.0V ±2%，輸出電壓穩(wěn)定。
• 負(fù)載電流：25A 穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流，能滿足高電流需求。
• 開關(guān)頻率：500kHz，較高的開關(guān)頻率有助于減小電感和電容的體積。
• 便捷測試：可方便訪問電源良好、使能/軟啟動和誤差放大器，還設(shè)有方便的轉(zhuǎn)換器性能測試點。

三、電氣性能規(guī)格

這些電氣性能規(guī)格為我們在實際設(shè)計中評估該模塊的適用性提供了重要依據(jù)。大家在選擇電源模塊時，會重點關(guān)注哪些性能指標(biāo)呢？

四、測試設(shè)置

4.1 測試設(shè)備

• 電壓源：輸入電壓源 (V_{IN}) 應(yīng)為 0V 至 15V 的可變直流源，能夠提供 4A 的電流。
• 儀表：包括輸入電流計（0A 至 4A）、輸入電壓表（0V 至 15V）和輸出電壓表（0V 至 2V）。
• 負(fù)載：輸出負(fù)載為電子負(fù)載，可設(shè)置為恒流或恒阻模式，能在 1.0V 直流下提供 0A 至 25A 的電流。
• 示波器：用于輸出電壓紋波測量時，應(yīng)設(shè)置為交流耦合測量，帶寬限制為 20MHz；用于開關(guān)波形測量時，應(yīng)設(shè)置為直流耦合測量，帶寬限制為 20MHz。
• 風(fēng)扇：由于模塊工作時部分組件會發(fā)熱，建議使用 200lfm 至 400lfm 的小風(fēng)扇來降低組件溫度。

4.2 推薦線規(guī)

• (V_{IN}) 到 J1：連接源電壓 (V_{IN}) 和 TPS56221EVM - 579 的 J1 時，推薦使用 AWG #16 線，總長度小于 2 英尺（輸入 1 英尺，返回 1 英尺）。
• J2 到負(fù)載：連接負(fù)載和 J2 時，推薦使用 2xAWG #14 線，總長度小于 2 英尺（輸入 1 英尺，返回 1 英尺）。J2 是一個 4 位置端子插孔，每個位置額定支持 15A 輸出電流，當(dāng)電流超過 15A 時，應(yīng)同時使用兩個 (V_{OUT}) 和兩個 GND 位置。

4.3 設(shè)備設(shè)置步驟

1. 在靜電放電（ESD）工作站工作，確保在給 EVM 通電前，將任何腕帶、靴帶和墊子連接到接地端，建議佩戴靜電服和安全眼鏡。
2. 在連接直流輸入源 (V{IN}) 之前，建議將源電流限制在最大 4.0A，確保 (V{IN}) 初始設(shè)置為 0V，并按推薦測試設(shè)置圖連接。
3. 將 (V_{IN}) 連接到 J1。
4. 在 (V_{IN}) 和 J1 之間連接電流表 A1。
5. 將電壓表 V1 連接到 TP1 和 TP2。
6. 將電壓表 V2 連接到 TP3 和 TP4。
7. 按圖放置風(fēng)扇并打開，確保空氣直接吹過評估模塊。

五、配置

5.1 使能選擇（J3）

轉(zhuǎn)換器可以通過 J3 進(jìn)行使能和禁用。短接 J3 會使軟啟動電容放電并禁用 TPS56221 轉(zhuǎn)換器，打開 J3 則啟用轉(zhuǎn)換器。默認(rèn)設(shè)置為短接以禁用轉(zhuǎn)換器。

六、測試點描述

6.1 輸入電壓監(jiān)測（TP1 和 TP2）

通過將電壓表正輸入端子連接到 TP1，負(fù)輸入端子連接到 TP2，可以測量模塊的實際輸入電壓，避免輸入電纜和連接器的損耗。

6.2 輸出電壓監(jiān)測（TP3 和 TP4）

將電壓表正輸入端子連接到 TP3，負(fù)輸入端子連接到 TP4，可測量模塊的輸出電壓。對于輸出紋波監(jiān)測，可參考輸出紋波電壓測量程序中的尖端和桶形測量技術(shù)。

6.3 使能/軟啟動監(jiān)測（TP5）

該測試點可用于測量 TPS56221 轉(zhuǎn)換器的使能/軟啟動電壓，觀察啟動校準(zhǔn)波形、軟啟動斜坡或故障超時時間。但不應(yīng)從外部電路（如另一個電源的邏輯輸出）主動驅(qū)動該測試點。

6.4 電源良好監(jiān)測（TP6）

用于測量 TPS56221 轉(zhuǎn)換器的電源良好電壓。

6.5 環(huán)路響應(yīng)測試（TP7、TP8、TP9 和 TP10）

提供四個測試點（兩個信號和兩個接地），用于測量控制環(huán)路頻率響應(yīng)，無需修改評估板即可測量實際模塊環(huán)路響應(yīng)。

6.6 開關(guān)節(jié)點電壓監(jiān)測（TP11 和 TP12）

將示波器探頭連接到 TP11，探頭接地引線連接到 TP12，可監(jiān)測開關(guān)節(jié)點電壓。若要監(jiān)測開關(guān)節(jié)點的電壓尖峰，需去除示波器的帶寬限制，并參考應(yīng)用報告 SLPA005 中的測量技術(shù)。

七、測試程序

7.1 啟動/關(guān)閉程序

1. 按測試設(shè)置部分的描述設(shè)置 EVM。
2. 確保負(fù)載設(shè)置為吸收 0A 電流。
3. 根據(jù)配置部分設(shè)置跳線 J3。
4. 將 (V{IN}) 從 0V 增加到 12V，使用 V1 測量 (V{IN}) 電壓。
5. 打開跳線 J3 以啟用轉(zhuǎn)換器。
6. 使用 V2 測量 (V{OUT}) 電壓，使用 A1 測量 (V{IN}) 電壓。
7. 將負(fù)載從 0A 變化到 25A，(V_{OUT}) 應(yīng)保持在負(fù)載調(diào)整范圍內(nèi)。
8. 將 (V{IN}) 從 8V 變化到 14V，(V{OUT}) 應(yīng)保持在線性調(diào)整范圍內(nèi)。
9. 短接跳線 J3 以禁用轉(zhuǎn)換器。
10. 將 (V_{IN}) 降低到 0V。
11. 將負(fù)載降低到 0A。

7.2 輸出紋波電壓測量程序

1. 按照啟動/關(guān)閉程序?qū)?(V_{IN}) 和負(fù)載設(shè)置到所需的工作條件。
2. 將示波器設(shè)置為輸出電壓紋波測量模式。
3. 將帶有暴露金屬桶的示波器探頭連接到 TP3 和 TP4，使用有引線的接地連接可能會因大接地環(huán)路引入額外噪聲。
4. 按照啟動/關(guān)閉程序關(guān)閉電源。

7.3 控制環(huán)路增益和相位測量程序

1. 按照啟動/關(guān)閉程序?qū)?(V_{IN}) 和負(fù)載設(shè)置到所需的工作條件。
2. 將隔離變壓器連接到測試點 TP7 和 TP10。
3. 將輸入信號幅度測量探頭（通道 A）連接到 TP7。
4. 將輸出信號幅度測量探頭（通道 B）連接到 TP10。
5. 將通道 A 和通道 B 的接地引線分別連接到 TP8 和 TP9。
6. 通過隔離變壓器注入 10mV 或更小的信號。
7. 以 10Hz 或更低的后置濾波器將頻率從 500Hz 掃描到 500kHz。
8. 控制環(huán)路增益可通過 (20 × log left(frac{ ChannelB }{ ChannelA }right)) 測量。
9. 控制環(huán)路相位可通過通道 A 和通道 B 之間的相位差測量。
10. 按照啟動/關(guān)閉程序關(guān)閉電源。

7.4 設(shè)備關(guān)閉

1. 關(guān)閉 (V_{IN})。
2. 關(guān)閉負(fù)載。
3. 關(guān)閉風(fēng)扇。
4. 關(guān)閉示波器。

八、性能數(shù)據(jù)和典型特性曲線

文檔中給出了一系列典型性能曲線，包括效率、負(fù)載調(diào)整率、線性調(diào)整率、輸出電壓紋波、開關(guān)節(jié)點、負(fù)載瞬態(tài)、啟動、關(guān)機、過流保護(hù)、控制環(huán)路波特圖和熱圖像等。但實際性能數(shù)據(jù)可能會受到測量技術(shù)和環(huán)境變量的影響，這些曲線僅供參考。

九、EVM 組裝圖和 PCB 布局

TPS56221EVM - 579 采用 4 層、2 - oz 覆銅電路板，尺寸為 2.5” x 2.5”，PCB 兩側(cè)都有組件，方便用戶查看、探測和評估 TPS56221 高電流集成 FET 轉(zhuǎn)換器在小尺寸、高電流應(yīng)用中的性能。

十、材料清單

文檔列出了 TPS56221EVM - 579 的材料清單，包括電容、電阻、電感、連接器、測試點、芯片等組件的型號和數(shù)量，為我們進(jìn)行模塊的組裝和維修提供了詳細(xì)信息。

通過對 TPS56221EVM - 579 評估模塊的詳細(xì)介紹，我們對其性能、測試方法和應(yīng)用有了更深入的了解。在實際電子設(shè)計中，大家可以根據(jù)具體需求選擇合適的電源模塊，并按照本文的測試方法進(jìn)行性能評估。你在使用類似電源模塊時，遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享。