深入解析TPS55386EVM - 363非同步降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討一下德州儀器（Texas Instruments）的TPS55386EVM - 363評(píng)估模塊，這是一款12V輸入、5.0V與3.3V輸出、3A非同步降壓轉(zhuǎn)換器，能為工程師們?cè)?a target="_blank">電源設(shè)計(jì)方面提供很多有價(jià)值的參考。

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一、模塊概述

1.1 模塊描述

TPS55386EVM - 363評(píng)估模塊采用12V（±10% / - 20%）的穩(wěn)壓總線，能產(chǎn)生5.0V和3.3V的穩(wěn)壓電源軌，每個(gè)輸出的負(fù)載電流最大可達(dá)3A。它主要用于在典型的12V總線系統(tǒng)中展示TPS55386芯片的性能，同時(shí)提供了多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，方便工程師評(píng)估其在特定應(yīng)用中的表現(xiàn)。而且，通過(guò)更換部分組件，該模塊還能修改輸入或輸出電壓。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

這款模塊的應(yīng)用范圍十分廣泛，包括非隔離低電流負(fù)載點(diǎn)和電壓總線轉(zhuǎn)換器、消費(fèi)電子、LCD TV、計(jì)算機(jī)外設(shè)以及數(shù)字機(jī)頂盒等。

1.3 模塊特點(diǎn)

• 輸入范圍：12V ±10% / - 20%，能適應(yīng)一定范圍內(nèi)的電壓波動(dòng)。
• 輸出電壓：固定輸出5.0V和3.3V，可通過(guò)改變電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。
• 輸出電流：穩(wěn)態(tài)輸出電流為3Adc（峰值3A），能滿足多數(shù)中小功率設(shè)備的需求。
• 開(kāi)關(guān)頻率：600kHz，由TPS55386芯片固定，保證了穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)性能。
• 電路結(jié)構(gòu)：內(nèi)部集成開(kāi)關(guān)MOSFET，外部采用整流二極管；雙層2有源層PCB，所有組件都在頂層，測(cè)試點(diǎn)信號(hào)通過(guò)內(nèi)層布線。
• 尺寸小巧：有源轉(zhuǎn)換器面積小于2.5平方英寸（< 1.15” × 2.15”）。
• 測(cè)試方便：提供了方便的測(cè)試點(diǎn)，可用于探測(cè)開(kāi)關(guān)波形和進(jìn)行非侵入式環(huán)路響應(yīng)測(cè)試。

二、電氣性能規(guī)格

這些參數(shù)為我們了解模塊的性能提供了重要依據(jù)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體需求來(lái)選擇合適的工作條件。

三、原理圖分析

3.1 時(shí)序跳線（JP3）

TPS55386EVM - 363提供了一個(gè)3針100密耳的插頭和分流器，用于對(duì)TPS55386的時(shí)序功能進(jìn)行編程。將JP3分流器置于左側(cè)位置，可將序列引腳連接到BP，當(dāng)啟用Enable 2時(shí)，TPS55386控制器會(huì)先對(duì)通道2進(jìn)行排序，再對(duì)通道1進(jìn)行排序；置于右側(cè)位置，序列引腳連接到GND，當(dāng)啟用Enable 1時(shí)，會(huì)先對(duì)通道1進(jìn)行排序，再對(duì)通道2進(jìn)行排序；移除JP3分流器則會(huì)禁用排序功能，使通道1和通道2能夠獨(dú)立啟用。

3.2 使能跳線（JP1和JP2）

模塊提供了獨(dú)立的3針100密耳插頭和分流器，用于實(shí)現(xiàn)TPS55386的使能功能。當(dāng)移除JP3時(shí)，將JP1分流器置于左側(cè)位置，可將EN1連接到地，開(kāi)啟輸出1；將JP2分流器置于左側(cè)位置，可將EN2連接到地，開(kāi)啟輸出2。當(dāng)JP3分流器在左側(cè)位置時(shí)，將JP2分流器置于左側(cè)位置，會(huì)先開(kāi)啟輸出2，再開(kāi)啟輸出1；當(dāng)JP3分流器在右側(cè)位置時(shí)，將JP1分流器置于左側(cè)位置，會(huì)先開(kāi)啟輸出1，再開(kāi)啟輸出2。

3.3 誤差放大器輸出

TPS55386跨導(dǎo)誤差放大器（COMP1和COMP2）的輸出對(duì)電容負(fù)載很敏感，示波器探頭通常會(huì)增加8 - 15pF的電容。因此，在沒(méi)有使用外部緩沖器的情況下，不要直接測(cè)量這些信號(hào)，以免影響控制電壓。

3.4 測(cè)試點(diǎn)描述

這些測(cè)試點(diǎn)為我們調(diào)試和分析模塊性能提供了便利，你在實(shí)際操作中有沒(méi)有利用這些測(cè)試點(diǎn)解決過(guò)一些問(wèn)題呢？

四、測(cè)試設(shè)置

4.1 所需設(shè)備

• 電壓源：輸入電壓源（(V_{IN})）應(yīng)為0 - 15V的可變直流電源，能夠提供5Adc的電流，將其連接到J1。
• 儀表：包括0 - 3Adc的電流表A1、0 - 15V的電壓表V1用于測(cè)量(V_{IN})、0 - 6V的電壓表V2用于測(cè)量VOUT1、0 - 4V的電壓表V3用于測(cè)量VOUT2。
• 負(fù)載：輸出1負(fù)載（LOAD1）應(yīng)為能夠在5.0V下提供0 - 2Adc的電子恒流模式負(fù)載；輸出2負(fù)載（LOAD2）應(yīng)為能夠在3.3V下提供0 - 2Adc的電子恒流模式負(fù)載。
• 示波器：可使用數(shù)字或模擬示波器來(lái)測(cè)量VOUT1或VOUT2的紋波電壓，設(shè)置為1MΩ阻抗、20MHz帶寬、交流耦合、1μs/格的水平分辨率和10mV/格的垂直分辨率。
• 推薦線規(guī)：(V_{IN})到J1的連接，推薦使用AWG #16的電線，總長(zhǎng)度小于4英尺；J2到LOAD1、J3到LOAD2的連接，推薦使用AWG #18的電線，總長(zhǎng)度小于2英尺。
• 其他：由于模塊中的組件可能會(huì)發(fā)熱，建議使用一個(gè)能夠提供200 - 400 lfm風(fēng)量的小風(fēng)扇，以降低組件表面溫度，防止用戶受傷。

4.2 設(shè)備設(shè)置步驟

1. 在ESD工作站工作，確保在給EVM供電前，將任何腕帶、靴帶或墊子連接到接地端，同時(shí)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5.0A，確保(V{IN})初始設(shè)置為0V，并按照推薦的測(cè)試設(shè)置圖進(jìn)行連接。
3. 在(V_{IN})和J1之間連接電流表A1（0 - 5A范圍）。
4. 將電壓表V1連接到TP1和TP2。
5. 將LOAD1連接到J2，在施加(V_{IN})之前，將LOAD1設(shè)置為恒流模式，使其吸收0Adc的電流。
6. 將電壓表V2跨接在TP3和TP4上。
7. 將LOAD2連接到J3，在施加(V_{IN})之前，將LOAD2設(shè)置為恒流模式，使其吸收0Adc的電流。
8. 將電壓表V3跨接在TP18和TP19上。
9. 放置風(fēng)扇并開(kāi)啟，確?？諝饽軌蛄鬟^(guò)EVM。

4.3 啟動(dòng)/關(guān)閉程序

1. 將(V_{IN})從0V增加到12Vdc。
2. 將LOAD1的電流從0 - 3Adc進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3. 將LOAD2的電流從0 - 3Adc進(jìn)行調(diào)節(jié)。
4. 將(V_{IN})在9.6Vdc到13.2Vdc之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。
5. 將(V_{IN})降低到0Vdc。
6. 將LOAD1的電流降低到0A。
7. 將LOAD2的電流降低到0A。

4.4 輸出紋波電壓測(cè)量程序

1. 將(V_{IN})從0V增加到12Vdc，并將LOAD1和LOAD2調(diào)節(jié)到所需的負(fù)載電流。
2. 調(diào)節(jié)(V_{IN})到所需的負(fù)載電壓。
3. 將示波器探頭連接到TP3和TP4或TP18和TP19，按照推薦的測(cè)試設(shè)置圖進(jìn)行操作。
4. 測(cè)量輸出紋波。
5. 將(V_{IN})降低到0Vdc，將LOAD1和LOAD2的電流降低到0A。

4.5 控制環(huán)路增益和相位測(cè)量程序

1. 將1kHz - 1MHz的隔離變壓器連接到TP6和TP8。
2. 將輸入信號(hào)幅度測(cè)量探頭（通道A）連接到TP8。
3. 將輸出信號(hào)幅度測(cè)量探頭（通道B）連接到TP6。
4. 將通道A和通道B的接地引線連接到TP5和TP7。
5. 通過(guò)隔離變壓器在R1上注入30mV或更小的信號(hào)。
6. 以10Hz或更低的后置濾波器從1kHz到1MHz進(jìn)行頻率掃描。
7. 控制環(huán)路增益可通過(guò)公式[20 × LOGleft(frac{ ChannelB }{ ChannelA }right)]進(jìn)行測(cè)量。
8. 控制環(huán)路相位通過(guò)通道A和通道B之間的相位差進(jìn)行測(cè)量。
9. 對(duì)于通道2的控制環(huán)路測(cè)量，將TP6替換為T(mén)P16，TP8替換為T(mén)P14，TP5替換為T(mén)P17，TP7替換為T(mén)P15。
10. 在進(jìn)行其他測(cè)量之前，斷開(kāi)隔離變壓器，因?yàn)榉答佒械男盘?hào)注入可能會(huì)影響其他測(cè)量的準(zhǔn)確性。

4.6 設(shè)備關(guān)閉

依次關(guān)閉示波器、(V_{IN})、LOAD1、LOAD2和風(fēng)扇。

五、典型性能數(shù)據(jù)和特性曲線

5.1 效率

從效率與負(fù)載電流的曲線可以看出，在不同的輸入電壓（9.6V、12V、13.2V）下，5V和3.3V輸出的效率隨負(fù)載電流的變化情況。一般來(lái)說(shuō)，隨著負(fù)載電流的增加，效率會(huì)先上升后趨于穩(wěn)定。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)負(fù)載需求選擇合適的輸入電壓，以提高效率。

5.2 線路和負(fù)載調(diào)節(jié)率

輸出電壓與負(fù)載電流的曲線展示了在不同輸入電壓下，5V和3.3V輸出電壓隨負(fù)載電流的變化情況。線路調(diào)節(jié)率和負(fù)載調(diào)節(jié)率都在1%以內(nèi)，說(shuō)明模塊在不同輸入電壓和負(fù)載條件下，輸出電壓的穩(wěn)定性較好。

5.3 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和輸出紋波電壓

通過(guò)示波器測(cè)量得到的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和輸出紋波電壓曲線，我們可以直觀地看到模塊在工作時(shí)的電壓波動(dòng)情況。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要關(guān)注紋波電壓的大小，以確保其滿足負(fù)載設(shè)備的要求。

5.4 輸出紋波電壓

在輸出測(cè)試點(diǎn)（TP3和TP4或TP18和TP19）測(cè)量的輸出紋波電壓會(huì)包含一些高頻開(kāi)關(guān)邊緣噪聲和由于接地環(huán)路面積導(dǎo)致的偏移。為了獲得更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，可以將裸線直接焊接到輸出電容（C5或C17）上，并將其直接連接到示波器探頭的接地桶。

5.5 控制環(huán)路波特圖

控制環(huán)路的增益和相位與頻率的曲線展示了模塊的控制性能。從圖中可以得到輸出電壓的帶寬和相位裕度，例如，VOUT1的帶寬為40kHz，相位裕度為69°；VOUT2的帶寬為33kHz，相位裕度為71°。這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估模塊的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力非常重要。

六、EVM組裝圖紙和布局

TPS55386EVM - 363采用4層、2oz覆銅電路板，尺寸為3.0” × 3.0”，所有組件都位于1.15” × 2.15”的有源區(qū)域內(nèi)，且所有有源走線都分布在頂層和底層，方便用戶查看、探測(cè)和評(píng)估TPS55386控制IC在實(shí)際雙面應(yīng)用中的性能。對(duì)于空間受限的系統(tǒng)，還可以將組件移到PCB的兩側(cè)或使用額外的內(nèi)層，以進(jìn)一步減小尺寸。

七、材料清單

材料清單詳細(xì)列出了模塊中使用的各種組件，包括電容、電阻、電感、二極管、集成電路等，以及它們的型號(hào)、規(guī)格和制造商。這對(duì)于我們進(jìn)行組件替換和故障排查非常有幫助。

綜上所述，TPS55386EVM - 363評(píng)估模塊是一款性能優(yōu)良、功能豐富的電源模塊，為工程師們?cè)陔娫丛O(shè)計(jì)和測(cè)試方面提供了很多便利。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)具體需求，結(jié)合模塊的特點(diǎn)和性能參數(shù)，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和調(diào)試。你在使用類似模塊時(shí)有沒(méi)有遇到過(guò)什么挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。