TPS65161EVM - 194評估模塊：功能、使用與設(shè)計要點

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源模塊的性能和穩(wěn)定性對于整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。TPS65161EVM - 194評估模塊（EVM）就是這樣一款能為TV監(jiān)視器和TFT LCD面板提供關(guān)鍵偏置電源電壓的產(chǎn)品。接下來，我們將深入了解它的功能、使用方法以及設(shè)計中的一些要點。

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一、模塊概述

TPS65161EVM - 194接收8 - 14V的輸入軌，能提供TV監(jiān)視器和TFT LCD面板通常所需的四種偏置電源電壓。它集成了一個帶集成低端FET的升壓轉(zhuǎn)換器、一個帶集成高端FET的降壓轉(zhuǎn)換器、一個正電荷泵控制器和一個負(fù)電荷泵控制器，每個電荷泵控制器都需要外部肖特基二極管。升壓和降壓轉(zhuǎn)換器的支持性無源組件包括電感器和電容器，而電荷泵的支持性無源組件則主要是電容器。

二、性能規(guī)格

2.1 詳細(xì)參數(shù)

注：(1) VGx在該輸出電流下下降3%。由于電荷泵由VS驅(qū)動，增加其輸出電流會降低VS的最大可用輸出電流。這些測量是在假設(shè)VS無外部負(fù)載的情況下進(jìn)行的。(2) 假設(shè)SUP = VS。(3) 同(1)。

2.2 電源定制

用戶可以通過更改數(shù)據(jù)手冊（SLVS617）中列出的適當(dāng)反饋電阻來改變每個軌的穩(wěn)壓輸出電壓，但需注意不要超過數(shù)據(jù)手冊中每個輸出的最大電壓規(guī)格。此外，還可以使用替代的電容器、電感器和/或二極管。在使用替代電容器時，要確保使用數(shù)據(jù)手冊中推薦的最小電容值，并保證電容器的電壓額定值合適。開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計為使用陶瓷輸出電容器，使用具有較大等效串聯(lián)電阻（ESR）的非陶瓷輸出電容器可能會導(dǎo)致輸出紋波增大或電感式開關(guān)轉(zhuǎn)換器運(yùn)行不穩(wěn)定。每個電荷泵的飛跨電容器和輸出電容器必須是陶瓷輸出電容器。選擇替代電感器時，要使用數(shù)據(jù)手冊中的設(shè)計方程來確保選擇合適的電感值，并保證電感器的電流額定值適合所需的輸出電流。使用額定電流較高的電感器可以使每個電感式開關(guān)提供更多的輸出電流，但可能需要更高額定的輸入電源，而且使用直流電阻較大的電感器會導(dǎo)致效率降低。使用替代二極管時，要確保二極管的額定值滿足預(yù)期的峰值電流和功率設(shè)計方程。

2.3 輸入 - 輸出隔離

非同步升壓轉(zhuǎn)換器存在從輸入到輸出（即VIN到VS）的路徑。如果正電荷泵的高端二極管（D4D6）連接到VS，該路徑會延伸到正電荷泵的輸出（VGH）。TPS65161提供了一個柵極驅(qū)動（GD）引腳，用于控制外部PMOS FET開關(guān)和支持性無源組件，以實現(xiàn)輸入 - 輸出隔離。GD引腳是一個開漏輸出，當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓在其標(biāo)稱穩(wěn)壓輸出電壓的8%以內(nèi)時，GD引腳被鎖存為低電平；當(dāng)EN2引腳被拉低時，GD引腳變?yōu)楦咦杩?。EVM上未安裝MOSFET（Q1）和支持性無源組件（C23、C26、R12和R15），開關(guān)Q1由一個零歐姆電阻（R13）短路。物料清單為用戶提供了添加這些組件時的推薦值。

2.4 電荷泵短路保護(hù)

提供VGH的正電荷泵電路沒有內(nèi)部短路保護(hù)。如果需要短路保護(hù)，可以用以下方程計算出的電阻值替換零歐姆電阻R2： [R 2=left(V{S}-V{S C H O T T K Y}right) / I_{S C-V G H}] 其中，ISC - VGH是每個電荷泵所需的短路電流水平。需要注意的是，最大輸出電流將被限制在大約ISC - VGH / 2。

三、設(shè)置與測試結(jié)果

3.1 連接與跳線

EVM要在表1的規(guī)格范圍內(nèi)運(yùn)行，需要使用默認(rèn)的跳線設(shè)置。各跳線的功能如下：

• J1 - VGH IN：用于將正電荷泵的高端外部二極管連接到輸入 - 輸出隔離MOSFET（Q1）之前（OS）或之后（VS）。由于EVM上的隔離MOSFET被短路，J1放在任何位置結(jié)果都相同。如果安裝了Q1，建議將J1置于VS位置，使正電荷泵也具有輸入 - 輸出隔離。
• J2 - EN2：中間引腳連接到升壓轉(zhuǎn)換器和正電荷泵的使能引腳。當(dāng)EN2連接到VIN時，升壓轉(zhuǎn)換器和正電荷泵在降壓轉(zhuǎn)換器達(dá)到穩(wěn)壓且DLY2設(shè)置的延遲時間過去后啟動；當(dāng)EN2連接到GND時，升壓轉(zhuǎn)換器和正電荷泵被禁用。EN2引腳必須連接到VIN或GND，不能浮空。
• J3 - EN1：中間引腳連接到降壓轉(zhuǎn)換器和負(fù)電荷泵的使能引腳。當(dāng)EN1連接到VIN時，降壓轉(zhuǎn)換器啟動，經(jīng)過DLY1設(shè)置的延遲時間后，負(fù)電荷泵啟動；當(dāng)EN1連接到GND時，降壓轉(zhuǎn)換器和負(fù)電荷泵被禁用。EN1引腳必須連接到VIN或GND，不能浮空。
• J4 - FREQ：中間引腳連接到IC的FREQ引腳。當(dāng)FREQ連接到VIN時，開關(guān)頻率為750 kHz；當(dāng)FREQ連接到GND時，開關(guān)頻率為500 kHz。FREQ引腳必須連接到VIN或GND，不能浮空。默認(rèn)連接是FREQ連接到750 kHz（VIN）。
• J5 - VIN和GND：輸入電源正極和接地回路連接必須連接到J5。
• J6 - VGL和GND：為負(fù)電荷泵提供輸出電壓和接地回路連接。
• J7 - V_LOGIC和GND：為降壓轉(zhuǎn)換器提供輸出電壓和接地回路連接。
• J8 - VGH Boost：中間引腳連接到J10的輸出引腳。當(dāng)該跳線連接到2X時，電荷泵的外部傳輸二極管（D4D6）連接到J10（VGH輸出頭），電荷泵作為電壓倍增器工作；當(dāng)連接到3X時，傳輸二極管連接到一個額外的電荷泵級（D4 - D7，C17，C16）。如果適當(dāng)修改電阻分壓器，電荷泵可作為電壓三倍器工作。默認(rèn)連接是VGH連接到2X。
• J9 - VGH和GND：為正電荷泵提供輸出和接地回路連接。
• J10 - VS和GND：為主要升壓轉(zhuǎn)換器提供輸出和接地回路連接。
• J11 - SUP：中間引腳連接到SUP引腳，為兩個電荷泵提供驅(qū)動。在大多數(shù)應(yīng)用中，SUP必須連接到OS，以使正電荷泵獲得盡可能高的電壓。由于SUP引腳的最大額定電壓為15 V，當(dāng)VS大于15 V時，SUP必須連接到VIN。默認(rèn)連接是SUP連接到OS。

3.2 推薦測試設(shè)置

至少連接一個額定5A、設(shè)置為提供12 V ± 5%的電源到J5，不要超過15 V。雖然輸入電壓低至8 V也可以工作，但最大輸出電流水平會降低?？梢允褂秒妷罕砗?或帶有標(biāo)準(zhǔn)高阻抗電壓探頭的示波器來監(jiān)測輸出電壓。在使用J2和J3啟用設(shè)備跳線之前，用戶必須確保J4、J8和J11處于默認(rèn)位置。當(dāng)使用J3將EN1連接到VIN時，降壓轉(zhuǎn)換器啟動，經(jīng)過DLY1設(shè)置的延遲時間后，負(fù)電荷泵啟動；當(dāng)使用J2將EN2連接到VIN時，升壓轉(zhuǎn)換器和正電荷泵在降壓轉(zhuǎn)換器達(dá)到穩(wěn)壓且DLY2設(shè)置的延遲時間過去后啟動。經(jīng)過適當(dāng)?shù)能泦訒r間和相對延遲后，輸出電壓達(dá)到各自的穩(wěn)壓電壓（見表1）?？梢栽诿總€輸出頭（J6用于VGL，J7用于VLOGIC，J8用于VGH，J10用于VS）連接電阻性或電子負(fù)載。如果每個輸出的負(fù)載超過表1中規(guī)定的值，輸出電壓將超出穩(wěn)壓范圍。

3.3 測試結(jié)果

文檔中給出了升壓轉(zhuǎn)換器效率、降壓轉(zhuǎn)換器效率和EN2 = VIN時的上電時序等測試結(jié)果的相關(guān)圖表，但未詳細(xì)給出具體數(shù)據(jù)。這些測試結(jié)果可以幫助工程師了解模塊在不同工作條件下的性能表現(xiàn)。

四、電路板布局

4.1 布局建議

PCB布局在電源設(shè)計中是一個重要步驟。不良的布局可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器不穩(wěn)定、負(fù)載調(diào)節(jié)問題、噪聲和EMI問題。特別是對于高負(fù)載電流的開關(guān)型DC - DC轉(zhuǎn)換器，過細(xì)的PCB走線可能會導(dǎo)致顯著的電壓尖峰，良好的接地變得尤為重要。如果可能，建議使用公共接地平面來最小化模擬地（GND）和電源地（PGND）之間的接地偏移。在設(shè)計基于TPS65161的電源時，強(qiáng)烈推薦以下設(shè)計準(zhǔn)則：

• 分離AVIN和VINB的電源走線，并使用單獨(dú)的旁路電容器。
• 使用短而寬的走線將OS引腳連接到升壓轉(zhuǎn)換器的輸出。
• 對于VGH和VGL的電荷泵驅(qū)動引腳（DRN，DRP）使用短走線，因為這些走線承載開關(guān)波形。
• 將電荷泵飛跨電容器盡可能靠近DRP和DRN引腳放置。
• 將電荷泵肖特基二極管盡可能靠近IC以及與DRP和DRN連接的飛跨電容器放置。
• 將負(fù)電荷泵的反饋網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)離負(fù)電荷泵的驅(qū)動引腳走線（DRN），以避免耦合到反饋網(wǎng)絡(luò)。使用FREQ引腳和走線將DRN與FBN隔離。
• 將電感式開關(guān)轉(zhuǎn)換器的肖特基二極管盡可能靠近SW引腳放置，以最小化開關(guān)尖峰。

4.2 電路板層

文檔展示了TPS65161EVM - 194的頂部組裝層、頂層和底層的布局圖，這些圖可以幫助工程師直觀地了解電路板的結(jié)構(gòu)和組件布局。

五、原理圖和物料清單

5.1 原理圖

文檔提供了TPS65161EVM - 194的原理圖，這對于理解模塊的電路結(jié)構(gòu)和工作原理非常有幫助。工程師可以根據(jù)原理圖進(jìn)行電路分析和故障排查。

5.2 物料清單

物料清單詳細(xì)列出了模塊中使用的各種組件，包括電容器、電感器、二極管、電阻器、IC等的數(shù)量、參考編號、值、描述、尺寸、零件編號和制造商等信息。這對于采購組件和進(jìn)行電路板組裝非常重要。

六、注意事項

6.1 適用范圍

該評估板/套件僅用于工程開發(fā)、演示或評估目的，不被視為適合一般消費(fèi)者使用的成品。處理該產(chǎn)品的人員必須具備電子培訓(xùn)，并遵守良好的工程實踐標(biāo)準(zhǔn)。

6.2 安全警告

• 要在8 - 14V的輸入電壓范圍和 - 40 - 20V的輸出電壓范圍內(nèi)操作EVM。超過指定的輸入范圍可能會導(dǎo)致意外操作和/或?qū)VM造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。如果對輸入范圍有疑問，請在連接輸入電源之前聯(lián)系TI現(xiàn)場代表。
• 施加超出指定輸出范圍的負(fù)載可能會導(dǎo)致意外操作和/或?qū)VM造成永久性損壞。在將任何負(fù)載連接到EVM輸出之前，請查閱EVM用戶指南。如果對負(fù)載規(guī)格不確定，請聯(lián)系TI現(xiàn)場代表。
• 在正常運(yùn)行期間，一些電路組件的外殼溫度可能會超過125°C。只要保持輸入和輸出范圍，EVM設(shè)計為在某些組件高于85°C的情況下仍能正常運(yùn)行。這些組件包括但不限于線性穩(wěn)壓器、開關(guān)晶體管、傳輸晶體管和電流感測電阻器。可以使用EVM用戶指南中的EVM原理圖來識別這些設(shè)備。在操作過程中，將測量探頭靠近這些設(shè)備時，要注意這些設(shè)備可能會很燙。

總之，TPS65161EVM - 194評估模塊為工程師提供了一個方便的平臺來評估和開發(fā)適用于TV監(jiān)視器和TFT LCD面板的電源解決方案。通過了解其性能規(guī)格、使用方法、布局要點和注意事項，工程師可以更好地利用該模塊進(jìn)行設(shè)計和測試。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)分享你的經(jīng)驗。