TPS54020 SWIFT? 降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊使用指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源轉(zhuǎn)換模塊的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。TPS54020 SWIFT? 降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊（EVM）為工程師提供了一個(gè)便捷的平臺(tái)，用于評(píng)估和驗(yàn)證該轉(zhuǎn)換器的性能。本文將詳細(xì)介紹該評(píng)估模塊的相關(guān)信息，包括背景、性能規(guī)格、測(cè)試設(shè)置和結(jié)果等內(nèi)容。

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一、模塊背景

TPS54020 是一款直流 - 直流轉(zhuǎn)換器，能夠提供高達(dá) 10A 的輸出電流。它采用了分離輸入電源軌設(shè)計(jì)，為功率級(jí)和控制電路分別提供獨(dú)立的輸入電壓。功率級(jí)輸入（PVIN）的額定電壓范圍為 1.6V 至 17V，控制輸入（(V{IN})）的額定電壓范圍為 4.5V 至 17V。該評(píng)估模塊設(shè)計(jì)并測(cè)試時(shí)將 PVIN 連接到 (V{IN})，其額定輸入電壓范圍為 8V 至 17V（啟動(dòng)電壓為 7.5V），輸出電流范圍為 0A 至 10A。

其開關(guān)頻率通過一個(gè)電阻外部設(shè)置，標(biāo)稱值為 500kHz。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)通電阻使得 TPS54020 能夠?qū)崿F(xiàn)高效率，并有助于在高輸出電流時(shí)保持較低的結(jié)溫。補(bǔ)償組件位于集成電路（IC）外部，通過外部分壓器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)。此外，該轉(zhuǎn)換器還提供了可調(diào)的慢啟動(dòng)和欠壓鎖定輸入功能。評(píng)估模塊的絕對(duì)最大輸入電壓為 20V，但建議的最大輸入電壓為 17V，不應(yīng)超過此值。

二、性能規(guī)格總結(jié)

三、模塊修改

3.1 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)

輸出電壓由 R7 和 R10 組成的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)定，其中下部分壓電阻 R10 應(yīng)保持為 2.55kΩ 不變。要改變?cè)u(píng)估模塊的輸出電壓，需要改變電阻 R7 的值，通過公式 (R 7=frac{left(V{out }-V{ref }right) × R 10}{V{ref }}) 計(jì)算 R7 的值，可使輸出電壓在 0.6V 至 5V 之間變化。同時(shí)，(V{IN}) 必須在一定范圍內(nèi)，以確保最小導(dǎo)通時(shí)間大于 150ns。

3.2 慢啟動(dòng)時(shí)間

慢啟動(dòng)時(shí)間可通過改變 C14 的值進(jìn)行調(diào)整，使用公式 (C 14=frac{T{S S} × I{S S}}{V{ref }}) 計(jì)算所需的 C14 值，其中 (T{SS}) 為期望的慢啟動(dòng)時(shí)間，(I{SS}) 為慢啟動(dòng)充電電流（標(biāo)稱值為 2.3μA），(V{REF}) 為參考電壓（0.6V）。評(píng)估模塊使用 (C14 = 0.1mu F) 時(shí)，慢啟動(dòng)時(shí)間約為 26ms。

3.3 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）

欠壓鎖定（UVLO）可通過外部的 R6 和 R11 進(jìn)行調(diào)整。評(píng)估模塊使用 (R 6 = 69.8kΩ) 和 (R 11 = 13.3kΩ) 時(shí)，啟動(dòng)電壓為 7.5V，停止電壓為 7.1V。可使用公式 (R 6=frac{V{Start } timesleft(frac{V{E N falling }}{V{E N rising }}right)-V{Stop }}{I{p} timesleft(1-frac{V{E N} E{E N rising }}{V{E N rising }}right)+I{h}}) 和 (R 11=frac{R 6 × V{E N falling }}{V{Stop }-V{E N falling }+R 6 timesleft(I{p}+I{h}right)}) 計(jì)算不同啟動(dòng)和停止電壓所需的電阻值。

3.4 輸入電壓軌

評(píng)估模塊設(shè)計(jì)為可適應(yīng)功率級(jí)和控制邏輯的不同輸入電壓水平。在大多數(shù)應(yīng)用中，通過 J2 上的跳線將 PVIN 和 (V_{IN}) 輸入連接在一起，此時(shí)只需在 J1 處提供一個(gè)輸入電壓。若需要分離這兩個(gè)輸入電壓軌，可移除 J2 上的跳線，然后在 J1 和 J4 處分別提供兩個(gè)輸入電壓。

四、測(cè)試設(shè)置和結(jié)果

4.1 輸入 / 輸出連接

評(píng)估模塊配備了輸入 / 輸出連接器和測(cè)試點(diǎn)。需將能夠提供 5A 電流的電源連接到 J1，建議使用一對(duì) 20 - AWG 的電線。J2 上的跳線應(yīng)跨接在引腳 1 和 2 之間。負(fù)載應(yīng)連接到 J3，同樣建議使用一對(duì) 20 - AWG 的電線，負(fù)載需能夠在 1.8V 下吸收 10A 電流。應(yīng)盡量減小電線長度以減少電線中的損耗。測(cè)試點(diǎn) TP1 用于監(jiān)測(cè) PVIN 輸入電壓，TP6 提供方便的接地參考；TP5 用于監(jiān)測(cè)輸出電壓，TP8 為接地參考。

4.2 效率

評(píng)估模塊的效率在負(fù)載電流為 3A 至 6A 之間達(dá)到峰值，隨后隨著負(fù)載電流接近滿載而降低。環(huán)境溫度升高時(shí)，由于內(nèi)部 MOSFET 的漏源電阻 (R_{DS_ON}) 隨溫度變化，效率會(huì)降低。

4.3 輸出電壓負(fù)載調(diào)整率

輸出電壓負(fù)載調(diào)整率反映了輸出電壓隨負(fù)載電流變化的情況，通過相關(guān)測(cè)試曲線可直觀了解不同輸入電壓下輸出電壓隨負(fù)載電流的變化趨勢(shì)。

4.4 輸出電壓線性調(diào)整率

輸出電壓線性調(diào)整率體現(xiàn)了輸出電壓隨輸入電壓變化的特性，通過測(cè)試曲線可觀察到不同輸出電流下輸出電壓隨輸入電壓的變化情況。

4.5 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試展示了評(píng)估模塊在負(fù)載電流突然變化時(shí)的響應(yīng)情況，包括電壓變化和恢復(fù)時(shí)間等參數(shù)。

4.6 控制環(huán)路響應(yīng)

控制環(huán)路響應(yīng)特性通過增益和相位圖展示，可幫助工程師了解評(píng)估模塊在特定輸入電壓和負(fù)載電流下的環(huán)路性能。

4.7 輸出電壓紋波

輸出電壓紋波是衡量輸出電壓穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果顯示了在額定滿載（10A）和特定輸入電壓（(V_{IN}=12V)）下的輸出電壓紋波情況。

4.8 輸入電壓紋波

輸入電壓紋波反映了輸入電壓的波動(dòng)情況，測(cè)試結(jié)果展示了在額定滿載（10A）和特定輸入電壓（(V_{IN}=12V)）下的輸入電壓紋波。

4.9 啟動(dòng)

評(píng)估模塊的啟動(dòng)方式有兩種，一種是輸入電壓達(dá)到 UVLO 閾值時(shí)輸出電壓開始上升；另一種是通過控制 EN 引腳，當(dāng) EN 電壓達(dá)到使能閾值時(shí)，啟動(dòng)序列開始，輸出電壓上升到外部設(shè)定值（1.8V）。

4.10 預(yù)偏置啟動(dòng)

TPS54020 設(shè)計(jì)為可在預(yù)偏置輸出的情況下啟動(dòng)，即輸出電壓在慢啟動(dòng)序列開始時(shí)不會(huì)放電到地，而是在慢啟動(dòng)電壓達(dá)到預(yù)偏置母線電壓后開始向調(diào)節(jié)值增加。

4.11 打嗝模式電流限制

評(píng)估模塊具有打嗝模式電流限制功能，當(dāng)發(fā)生過流事件時(shí)，設(shè)備會(huì)關(guān)閉并重新啟動(dòng)。

五、電路板布局

評(píng)估模塊的電路板采用 4 層設(shè)計(jì)，所有層均為 2 - oz 銅。頂層包含 PVIN、(V_{IN})、(VOUT) 和 VPHASE 的主要功率走線，以及 TPS54020 的幾個(gè)模擬引腳連接和大面積的 PGND。兩個(gè)內(nèi)層主要包含功率平面，包括 PGND、(VOUT)、PVIN 和 VPHASE。底層包含其余的模擬電路連接以及與內(nèi)層類似的功率平面。頂層和底層以及內(nèi)層的功率和接地平面通過多個(gè)過孔連接，包括 TPS54020 器件下方的幾個(gè)過孔，以提供從頂層功率平面到其他層功率平面的熱路徑。輸入去耦電容 C4 和自舉電容 C5 盡可能靠近 IC 放置，電壓設(shè)定點(diǎn)電阻分壓器組件也靠近 IC。連接到電壓分壓器網(wǎng)絡(luò)的位置定義了調(diào)節(jié)點(diǎn)，即輸出連接器 J3 處的銅質(zhì) (VOUT) 走線。此外，TPS54020 還包含一個(gè)額外的輸入大容量電容，以有效降低從輸入電源到開關(guān)的源阻抗。關(guān)鍵模擬電路，如電壓設(shè)定點(diǎn)分壓器、頻率設(shè)定電阻、慢啟動(dòng)電容和補(bǔ)償組件，通過與功率接地平面分離的接地走線連接到模擬地（AGND）。

六、原理圖和物料清單

6.1 原理圖

評(píng)估模塊的原理圖展示了各個(gè)組件之間的連接關(guān)系，包括電源輸入、輸出、控制信號(hào)等。

6.2 物料清單

物料清單詳細(xì)列出了評(píng)估模塊所使用的各種組件，包括電容、電阻、電感、連接器、測(cè)試點(diǎn)、IC 等，以及它們的參數(shù)、尺寸、型號(hào)和制造商等信息。

綜上所述，TPS54020 SWIFT? 降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊為工程師提供了一個(gè)全面的平臺(tái)，用于評(píng)估和驗(yàn)證該轉(zhuǎn)換器的性能。通過對(duì)模塊的修改和測(cè)試，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。你在實(shí)際使用該評(píng)估模塊時(shí)是否遇到過一些特殊的問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。