10 - V to 55 - V輸入、3.3 - V輸出、4 - A寬輸入范圍同步降壓轉(zhuǎn)換器TPS40060的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

一、引言

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，寬輸入范圍的同步降壓轉(zhuǎn)換器是一種非常實(shí)用的電路。TPS40060EVM評估模塊就是這樣一款高效的寬輸入范圍同步降壓轉(zhuǎn)換器，它能在10 - V到55 - V的輸入電壓下，提供固定的3.3 - V輸出，最大負(fù)載電流可達(dá)4 A。而且，該模塊設(shè)計(jì)為可從單電源啟動(dòng)，無需額外的偏置電壓。

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二、TPS40060EVM的特點(diǎn)與應(yīng)用

2.1 特點(diǎn)

• 高效轉(zhuǎn)換：在10 V輸入時(shí)，峰值效率可達(dá)93%，滿載效率達(dá)91%。
• 寬輸入范圍：支持10 V到55 V的輸入電壓，能適應(yīng)多種電源。
• 固定輸出可調(diào)：輸出電壓固定為3.3 V，還可通過單個(gè)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。
• 大電流輸出：能提供4 A的直流輸出電流。
• 高頻運(yùn)行：工作頻率為250 kHz。
• 簡潔設(shè)計(jì)：采用單個(gè)主開關(guān)MOSFET和單個(gè)同步整流MOSFET，尺寸緊湊，為表面貼裝設(shè)計(jì)（2.0” x 2.2”）。
• 電壓模式控制：具備高達(dá)20 kHz的反饋環(huán)路帶寬，可實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)和高穩(wěn)定性運(yùn)行。
• 方便測試：雙面PCB，功率級和器件都在頂層，還設(shè)有方便探測關(guān)鍵波形和進(jìn)行非侵入式環(huán)路響應(yīng)測試的測試點(diǎn)。

2.2 應(yīng)用

適用于需要輕電流和低輸出電壓的輸入系統(tǒng)，如DSP和邏輯電源、通用計(jì)算、從非穩(wěn)壓或可變總線電壓進(jìn)行負(fù)載點(diǎn)DC/DC轉(zhuǎn)換等。

三、電氣性能規(guī)格

3.1 輸入特性

• 輸入電壓范圍：10 V到55 V。
• 最大輸入電流：在10 V ≤ VIN ≤ 55 V，IOUT = 4 A時(shí)，為1.5 - 1.8 A。
• 空載輸入電流：在10 V ≤ VIN ≤ 55 V，IOUT = 0 A時(shí)，為15 mA。

3.2 輸出特性

• 輸出電壓設(shè)置：在10 V ≤ VIN ≤ 55 V，0 A ≤ IOUT ≤ 4 A時(shí)，為3.25 - 3.35 V。
• 線路調(diào)節(jié)率：在10 V ≤ VIN ≤ 55 V，IOUT = 0 A時(shí)，為1%。
• 負(fù)載調(diào)節(jié)率：VIN = 32 V時(shí)，為1%。
• 輸出電壓紋波：VIN = 55 V，IOUT = 4 A時(shí)，為30 mVpp。
• 輸出負(fù)載電流：最大為4 A。

3.3 控制環(huán)路特性

• 開關(guān)頻率：225 - 275 kHz。
• 控制環(huán)路帶寬：15 - 30 kHz。
• 相位裕度：60 - 90°。

3.4 效率

不同輸入電壓下的峰值效率和滿載效率有所不同，例如10 V輸入時(shí)，峰值效率93%，滿載效率91%；55 V輸入時(shí)，峰值效率80%，滿載效率80%。

四、電阻分壓器與輸出電壓調(diào)節(jié)

通過改變反饋電阻分壓器中的接地電阻（R1），可在有限范圍內(nèi)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓輸出電壓。輸出電壓計(jì)算公式為：[V{OUT }=V{REF } timesleft(1+frac{R 6}{R 1}right)] ，其中 (V_{REF }=0.7 ~V) ， (R 6=6.04 k Omega) 。文檔中給出了不同輸出電壓對應(yīng)的R1值，如輸出3.3 V時(shí)，R1為1.62 kΩ。

五、測試設(shè)置

5.1 EVM設(shè)置

按照圖2所示的基本測試設(shè)置進(jìn)行連接，需注意VIN和LOAD1的連接應(yīng)保持分開。

5.2 輸出負(fù)載（LOAD1）

使用可編程電子負(fù)載，設(shè)置為恒流模式，能吸收0 - 4 A的直流電流。建議使用直流電壓表V2直接在TP10和TP9端子測量輸出電壓，以減少測量誤差。

5.3 直流輸入源（VIN）

輸入電壓源應(yīng)為可變直流源，能在0 - 55 Vdc范圍內(nèi)提供不小于2 A的電流，并連接到J1。為保護(hù)EVM，應(yīng)將源電流限制在不超過2 A。同時(shí)，在VIN和J1之間插入直流電流表A1測量輸入電流，用直流電壓表V1連接TP1和TP2測量VIN。

5.4 網(wǎng)絡(luò)分析儀

可直接連接到圖2中的TP3和TP4，利用TPS40060EVM輸出和電壓反饋之間的50 Ω電阻（R9），方便進(jìn)行控制到輸出環(huán)路響應(yīng)的非侵入式測量。

5.5 推薦線規(guī)

連接源電壓VIN和EVM的J5時(shí)，推薦使用最小AWG #18的電線，總長度小于8英尺；連接EVM的J7和LOAD1時(shí)，推薦使用最小AWG #12的電線，總長度小于8英尺。

5.6 測試點(diǎn)和示波器測試插孔

TP5、TP6、TP7和TP8可用于方便地進(jìn)行非侵入式探測和測量高速噪聲敏感信號，如柵極驅(qū)動(dòng)電壓、開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓和輸出電壓紋波。

5.7 風(fēng)扇

由于功率轉(zhuǎn)換器的部分組件在運(yùn)行時(shí)溫度可能接近60°C，建議使用一個(gè)風(fēng)量在200 - 400 LFM的小風(fēng)扇，以降低組件溫度。

六、上電/下電測試程序

1. 在ESD工作站工作，確保在給EVM上電前連接好防靜電腕帶、腳帶或墊子，同時(shí)佩戴靜電服和安全眼鏡。
2. 在連接直流輸入源VIN之前，將源電流限制在最大2 A，在VIN和J1之間連接量程為0 - 2 A的電流表A1，并將VIN初始設(shè)置為0 V。
3. 將LOAD1連接到J2，在施加VIN之前將LOAD1設(shè)置為恒流模式，吸收0 A電流。
4. 將電壓表V2連接到TP9和TP10。
5. 將VIN從0 V增加到10 Vdc，同時(shí)監(jiān)測V2上的輸出電壓，當(dāng)VIN > 10 V時(shí)，VOUT應(yīng)處于穩(wěn)壓狀態(tài)。
6. 打開風(fēng)扇，直接向EVM吹風(fēng)。
7. 將LOAD1的電流在0 - 4 A之間變化。
8. 將輸入電壓在10 - 55 V之間變化。
9. 將LOAD1設(shè)置為0 A。
10. 將VIN設(shè)置為0 Vdc。
11. 關(guān)閉電子負(fù)載。
12. 關(guān)閉VIN。

七、性能數(shù)據(jù)和特性曲線

文檔給出了效率與負(fù)載電流的關(guān)系曲線，以及環(huán)路響應(yīng)增益和相位與頻率的關(guān)系曲線，這些曲線有助于工程師更好地了解TPS40060EVM在不同工作條件下的性能。

八、EVM組裝圖和PCB布局

TPS40060EVM采用廉價(jià)的雙面覆銅電路板，尺寸為3.0” x 3.5”，所有組件和布線都局限在2.0” x 2.2”的區(qū)域內(nèi)，方便將該電路設(shè)計(jì)集成到幾乎任何PCB設(shè)計(jì)中，無需添加額外的內(nèi)層，也可作為外部模塊使用。

九、材料清單

文檔詳細(xì)列出了TPS40060EVM的組件清單，包括電容、電阻、二極管、MOSFET、電感等元件的型號、數(shù)量、規(guī)格和制造商等信息，為工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和組裝提供了參考。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們可以根據(jù)這些信息，結(jié)合具體的應(yīng)用需求，靈活運(yùn)用TPS40060EVM進(jìn)行電源設(shè)計(jì)。大家在使用過程中有沒有遇到過類似寬輸入范圍轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)難題呢？歡迎交流分享。