高性能3A輸出同步降壓評估模塊TPS56100EVM-133使用指南

在電子設計領域，為微處理器等設備提供穩(wěn)定高效的電源是至關重要的。今天我們要探討的是德州儀器（TI）的TPS56100EVM - 133同步降壓轉換器評估模塊，它為評估使用TPS56100紋波調(diào)節(jié)器控制器的同步降壓轉換器性能提供了便利的方法。

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一、背景

隨著高性能微處理器的發(fā)展，其對電源的要求也越來越高。新的高性能微處理器僅CPU就可能需要40 - 80W的功率，負載電流必須以高達30A/μs的轉換速率供應，同時要將輸出電壓保持在嚴格的調(diào)節(jié)和響應時間容差范圍內(nèi)。此外，電源和處理器之間的寄生互連阻抗必須降至最低。

傳統(tǒng)的同步調(diào)節(jié)器控制技術，如固定頻率電壓模式、固定頻率電流模式、可變頻率電流模式、可變導通時間或可變關斷時間等，在應對高di/dt負載瞬變時，由于控制器帶寬有限，需要在輸出端添加額外的大容量存儲電容器來維持輸出電壓在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。有些控制器會在較慢的主控制回路周圍添加快速回路以改善響應時間，但輸出電壓必須偏離固定容差帶后快速回路才會激活。

而TPS56100采用的滯回控制方法則具有明顯優(yōu)勢，它無需額外的輸出電容或復雜的環(huán)路補償設計，就能在靜態(tài)和動態(tài)負載條件下實現(xiàn)緊密的輸出電壓調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)效率，并且可以在主電源為5V的系統(tǒng)中運行。

二、性能規(guī)格總結

1. 輸入輸出電壓范圍

輸入電壓范圍為4.5 - 6V，輸出電壓范圍（無反饋分壓器）為1.3 - 2.6V。通過設置5位DAC代碼和可選的反饋分壓器網(wǎng)絡，可以將輸出電壓設置在1.3 - 4.5V之間。

2. 調(diào)節(jié)特性

• 靜態(tài)電壓容差：約為1.98 - 2.02V。
• 線路調(diào)節(jié)：在輸入電壓范圍4.5 - 6V內(nèi)，線路調(diào)節(jié)小于0.03%。
• 負載調(diào)節(jié)：從無負載到3A負載電流，負載調(diào)節(jié)不超過0.2%。

3. 其他性能指標

• 輸出電流范圍：0 - 3A，電流限制為3.5A。
• 輸出紋波：約為20mV。
• 軟啟動上升時間：約為10ms。
• 工作頻率：當輸出電壓為3.3V時，工作頻率約為197kHz；當輸出電壓為1.8V時，工作頻率約為520kHz。
• 效率：在3A負載下，輸出電壓為3.3V時效率約為88%；輸出電壓為1.8V時效率約為80%。

三、電壓編程代碼

電壓編程網(wǎng)絡（VP）由一個5位DAC組成，可將參考電壓編程在1.3 - 2.6V范圍內(nèi)。通過設置VP端子（0 = GND，1 = 浮動或上拉至5V）的不同組合，可以得到不同的參考電壓。當不使用反饋分壓器網(wǎng)絡時，輸出電壓將等于參考電壓；使用反饋分壓器網(wǎng)絡（R5和R10），則可以將輸出電壓設置得高于參考電壓。

四、測試結果

1. 測試總結

• 靜態(tài)線路和負載調(diào)節(jié)：TPS56100控制器中采用的精確參考電壓調(diào)節(jié)器，通過正遠程感測引腳提供了出色的調(diào)節(jié)特性。負載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)曲線表明，其調(diào)節(jié)性能良好，設定點容差約為1.0%。
• 輸出電壓紋波：輸出電壓峰 - 峰紋波約為20mV，該值可根據(jù)低紋波應用進行優(yōu)化。由于該評估模塊的輸出濾波器針對高轉換速率負載電流瞬變進行了快速瞬態(tài)響應優(yōu)化，因此在低紋波方面并非最優(yōu)。
• 效率和功率損耗：在5V輸入電壓和3A最大輸出電流的情況下，輸出電壓為1.8V時效率為80%，功率損耗為1.3W；輸出電壓為3.3V時效率為88%，功率損耗為1.4W。低功率損耗有助于降低各組件的溫度上升，提高長期可靠性，該評估模塊在0°C - 50°C溫度范圍內(nèi)無需強制風冷。
• 輸出啟動和過沖：輸出電壓上升時間與負載電流無關，呈線性上升，波形中無明顯過沖。通過外部電容器，輸出電壓上升時間設置為約10ms。
• 頻率變化：滯回控制器的開關頻率取決于輸入和輸出電壓以及輸出濾波器特性，其頻率變化與恒定關斷時間控制器大致相同。具體的開關頻率精確方程可在TPS56100數(shù)據(jù)手冊中找到。

2. 測試設置

測試過程中，假設輸出電壓設置為1.8V（安裝JP2、JP4、JP5）。初始上電步驟如下：

• 連接電子負載（或固定電阻）到輸出端，調(diào)節(jié)負載使其在1.8V下吸取約1A電流。
• 將5V實驗室電源連接到評估模塊的5V輸入和PWRGND，調(diào)節(jié)電流限制約為1A。
• 打開5V電源，將輸入電壓升至5V。
• 驗證評估模塊輸出電壓在1.8V ± 0.020V范圍內(nèi)。
• 后續(xù)測試時，確保實驗室電源輸出電流容量和電流限制至少為3A，以便評估模塊能在3A最大負載下運行。

五、原理圖

原理圖展示了SLVP133評估模塊的電路連接。需要注意的是，當電路集成到主板上時，R4可以用短路代替；對于低于2.6V的電壓選項，R10可以刪除；當不需要電壓編程選項時，跳線JP1 - 5可以按照數(shù)據(jù)手冊中的規(guī)定用接地短路或開路代替。

六、物理布局

該電源模塊由一塊印刷電路板（PWB）組成，文檔中展示了SLVP133 PWB的頂層和底層布局，以及頂層組裝視圖。合理的物理布局對于減少電磁干擾、提高散熱性能等方面都具有重要意義。

七、物料清單

物料清單詳細列出了SLVP133評估模塊所需的各種組件，包括電容器、電感器、晶體管、電阻器、集成電路等。不同的電壓選項（如1.8V和3.3V）對應著不同的組件設置，工程師可以根據(jù)實際需求進行選擇和調(diào)整。

總的來說，TPS56100EVM - 133評估模塊為電源系統(tǒng)設計師提供了一個很好的解決方案，可以根據(jù)特定應用優(yōu)化系統(tǒng)。如果你在設計類似的電源電路，不妨參考這個評估模塊的設計和測試結果，相信會給你帶來一些啟發(fā)。你在實際設計中有沒有遇到過類似的電源設計挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。