CSD86350Q5DEVM - 604 评估模块技术解析

在电子设计领域，电源模块的性能对于整个系统的稳定运行至关重要。今天我们来深入探讨一下德州仪器（Texas Instruments）的 CSD86350Q5DEVM - 604 评估模块，看看它能为我们带来怎样的电源解决方案。

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一、模块概述

CSD86350Q5DEVM - 604 是一款同步降压转换器评估模块，采用了德州仪器的 NexFET™ 功率模块技术，旨在提供高电流、超高密度的电源解决方案。该模块能够在 92% 以上的效率下，从 12V 标称输入总线输出 1.2V、25A 的稳定电压。其设计亮点在于仅需单电源供电，无需额外的偏置电压，使用 TPS51218 高性能、中输入电压同步降压控制器和 NexFET™ 功率模块，优化了整体解决方案的效率和功率密度。

二、应用场景与特性

应用场景

1. 同步降压转换器：适用于高频应用以及高电流、低占空比应用。
2. 多相同步降压转换器：可满足多相电源系统的需求。
3. 负载点（POL）DC - DC 转换器：为特定负载提供稳定的电源。

特性

1. 宽输入电压范围：输入电压额定值为 8V 至 13V，能适应不同的电源环境。
2. 稳定输出：输出电压为 1.2V，可提供 25A 的稳态负载电流。
3. 适中的开关频率：开关频率为 290kHz，在效率和性能之间取得了较好的平衡。
4. 便捷的测试与控制：可以方便地访问 IC 的使能、电源良好和开关节点等功能，还设有方便的测试点，可进行非侵入式的转换器性能测量，包括输入纹波、输出纹波和开关节点等。

三、电气性能规格

输入特性

参数	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压 (V_{IN})	8	12	13	V
输入电流 (I{IN})（(V{IN}=12V)，(I_{OUT}=25A)）	-	2.8	-	A
无负载输入电流（(V{IN}=12V)，(I{OUT}=0A)，(MODE = GND)）	-	0.35	-	mA
外部偏置电压 (V_{bias})（(JP1) 打开，偏置施加在 (JP1) 的引脚 2）	4.5	5.0	6.5	V
外部偏置电流 (I_{bias})（(JP1) 打开，偏置施加在 (JP1) 的引脚 2）	-	15	-	mA

输出特性

参数	最小值	典型值	最大值	单位
输出电压 (V{OUT})（(V{IN}=12V)，(I_{OUT}=25A)）	1.18	1.2	1.22	V
输出电压纹波 (V{OUT_ripple})（(V{IN}=12V)，(I_{OUT}=25A)，跨输出电容 (C12) 测量）	-	-	16	mVp - p
输出电流 (I{OUT})（(V{IN}=8V) 至 13V）	0	-	25	A

系统特性

参数	最小值	典型值	最大值	单位
开关频率 (F_{SW})	266	290	314	kHz
峰值效率 (eta{pk})（(V{IN}=12V)）	-	92.6	-	%
满载效率 (eta)（(V{IN}=12V)，(I{OUT}=25A)）	-	90.0	-	%

四、连接器、跳线和测试点说明

输入电源（J1）

用于连接 12V 输入电源，正电压连接到引脚 2，返回连接到引脚 1。要注意选择合适的电线尺寸，推荐使用 AWG #16 电线，总长度小于 2 英尺。

输出电源（J2）

用于连接 1.2V 输出电源，正负载连接到引脚 2，返回负载连接到引脚 1。推荐使用 AWG #12 电线，总长度小于 2 英尺。

5V 偏置跳线（JP1）

模块包含一个板载 5V 偏置稳压器（TPS71550 线性稳压器）为 TPS51218 控制器供电。插入 (JP1) 中的分流器可使用板载稳压器；移除分流器后，用户可在 (JP1) 的引脚 2 上施加 4.5V 至 6.5V 的外部偏置电压，该电压需能提供 15mA 的电流，其接地参考为 (TP5)。

禁用跳线（JP2）

安装 (JP2) 中的分流器可关闭 TPS51218 并禁用电源；移除分流器可将 TPS51218 的 (EN) 引脚拉高到 5V 以启用 TPS51218。

MODE 跳线（JP3）

用于选择 TPS51218 的操作模式。将分流器安装在 (JP3) 的“Auto - Skip”位置（引脚 2 和 3 之间），通过 (R6) 将 (RF) 引脚连接到 (GND)，可提高轻载时的效率；安装在“CCM”位置（引脚 1 和 2 之间），通过 (R6) 将 (RF) 引脚连接到 (PGOOD)，可在整个负载范围内保持恒定的开关频率。

测试点说明

测试点标签	用途	相关章节
TP1	输入电压测量测试点	4.6.1
TP2	输入电压返回测量测试点	4.6.1
TP3	电源良好测量测试点	4.6.4
TP4	开关节点电压测量测试点	4.6.3
TP5	电源良好的参考测试点和外部偏置电压的返回连接	4.6.4
TP6	开关节点电压返回测量测试点	4.6.3
TP7	输出电压测量测试点	4.6.2
TP8	输出电压返回测量测试点	4.6.2

五、测试设置

设备要求

1. 电压源：输入电压源 (V_{IN}) 应为 0V 至 15V 的可变直流源，能够提供 5A 的电流。
2. 仪表：包括 0A 至 5A 的输入电流表 (A1)、0V 至 15V 的输入电压表 (V1) 和 0V 至 2V 的输出电压表 (V2)。
3. 负载：输出负载 (LOAD) 为电子负载，可设置为恒流或恒阻模式，能够在 1.2V 下提供 0A 至 25A 的电流。
4. 示波器：用于输出电压纹波测量时，应设置为交流耦合测量，带宽限制为 20MHz，垂直分辨率为 20mV/ 格，水平分辨率为 1µs/ 格；用于开关节点波形测量时，应设置为直流耦合测量，带宽限制为 20MHz，垂直分辨率为 2V/ 格或 5V/ 格，水平分辨率为 1µs/ 格。
5. 其他：由于模块在运行时部分组件会发热，建议使用一个风量为 200lfm 至 400lfm 的小风扇来降低组件温度。

设备设置步骤

1. 在静电防护工作站操作，确保在给模块供电前，将手腕带、靴带或垫子连接到接地端，同时佩戴静电服和安全眼镜。
2. 在连接直流输入源 (V{IN}) 之前，建议将源电流限制在最大 5A，并将 (V{IN}) 初始设置为 0V，然后按照推荐的测试设置图进行连接。
3. 将 (V{IN}) 连接到 (J1)，在 (V{IN}) 和 (J1) 之间连接电流表 (A1)。
4. 将电压表 (V1) 连接到 (TP1) 和 (TP2)，电压表 (V2) 连接到 (TP7) 和 (TP8)。
5. 根据测试点说明将示波器探头连接到所需的测试点。
6. 放置风扇并开启，确保风扇直接向评估模块吹风。

启动/关闭程序

1. 在 (JP1) 中安装分流器。
2. 如有必要，移除 (JP2) 中的分流器。
3. 根据需要的操作模式验证 (JP3) 的分流器位置。
4. 将 (V_{IN}) 从 0V 增加到 12V。
5. 开启风扇。
6. 将负载从 0A 变化到 25A。
7. 将 (V_{IN}) 从 8V 变化到 13V。
8. 将负载减小到 0A。
9. 将 (V_{IN}) 减小到 0V。

输出纹波电压测量程序

1. 在输出电容 (C12) 的接地端焊接一根母线。
2. 按照启动/关闭程序的步骤 1 至 7 设置 (V_{IN}) 和负载到所需的操作条件。
3. 按照设备要求设置示波器进行输出电压纹波测量。
4. 使用焊接的母线缠绕在示波器探头的接地桶上，跨 (C12) 测量输出电压纹波。
5. 按照启动/关闭程序的步骤 8 和 9 关闭电源。

设备关闭步骤

1. 关闭示波器。
2. 关闭负载。
3. 关闭 (V_{IN})。
4. 关闭风扇。

六、测试数据

效率

模块的效率随负载电流的变化而变化，在不同输入电压下都有较好的表现。在 (V{IN}=8V) 和 (V{IN}=12V)，(V_{OUT}=1.2V)，(MODE = GND) 且无气流的条件下，效率曲线展示了其在不同负载下的效率情况。

低负载效率

在低负载情况下，模块同样能保持较高的效率，这对于一些轻载应用场景非常重要。

输出电压纹波

在 (V{IN}=12V)，(V{OUT}=1.2V)，(I_{OUT}=25A) 的条件下，通过不同的测量方法可以得到输出电压纹波的数据。需要注意的是，使用特定的测量方法（如在 (TP7) 和 (TP8) 使用尖端和桶测量技术）可能会因探头拾取大量辐射噪声而不准确，推荐采用焊接母线的方法进行测量。

输入电压纹波

在 (V{IN}=12V)，(V{OUT}=1.2V)，(I_{OUT}=25A) 的条件下，测量得到输入电压纹波的数据，这有助于评估模块对输入电源的稳定性要求。

负载瞬态响应

当负载从 12.5A 变化到 25A 时，模块能够快速响应，输出电压的波动在可接受的范围内，展示了其良好的动态性能。

启动特性

模块在 (V_{IN}) 上电和 (EN) 引脚使能时的启动情况都有相应的测试数据，这对于了解模块的启动过程和稳定性非常重要。

热成像

在 (V{IN}=12V)，(V{OUT}=1.2V)，(I_{OUT}=25A) 且无气流的条件下，热成像图展示了模块各部分的温度分布情况，有助于评估模块的散热性能。

七、模块修改

开关频率

可以通过改变 (R6) 的值来改变模块的开关频率，不同的 (R6) 值对应不同的开关频率，具体如下：	(R6) 值（kΩ）	开关频率（(f_{sw})）（kHz）
470	290
200	340
100	380
39	430

输出电压

可以通过改变 (R8) 的值来改变模块的输出电压，但输出电压不应设置高于 1.9V，否则可能会损坏模块。计算公式如下： [R8=frac{frac{V{OUT}-(I{ripple}×2mOmega)}{2}-0.7}{0.7}×R7] [I{ripple}=frac{(V{IN}-V{OUT})×V{OUT}}{L×f{SW}×V{IN}}]

栅极驱动电阻

增加电阻 (R1) 和/或 (R9) 的值可以减慢高端 MOSFET 的栅极驱动，从而减少开关节点的振铃，但会导致效率略有降低和工作温度升高。

八、组装图纸和布局

模块采用 4 层、2oz. 铜的印刷电路板设计，尺寸为 3" × 3"，所有组件都安装在顶层，方便用户查看、探测和评估 CSD86350Q5D 解决方案。如果对空间有严格要求，也可以将组件安装在 PCB 的两侧以进一步减小尺寸。

九、物料清单

模块的物料清单详细列出了各个组件的参数和型号，包括电容、电感、MOSFET、电阻、IC 等，为工程师进行设计和维护提供了参考。

十、注意事项

1. 该评估模块仅用于工程开发、演示或评估目的，并非适合一般消费者使用的成品。
2. 操作时需确保在输入电压范围 8V 至 13V 和输出电压不超过 1.9V 的范围内，否则可能导致意外操作或不可逆的损坏。
3. 由于模块的开放式结构，用户需要采取适当的静电放电防护措施。
4. 模块在正常运行时，部分电路组件的外壳温度可能会超过 60°C，只要保持输入和输出范围在规定范围内，模块仍能正常工作。

CSD86350Q5DEVM - 604 评估模块为电子工程师提供了一个高性能、高集成度的电源解决方案。通过对其特性、性能和使用方法的深入了解，我们可以更好地将其应用到实际项目中。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。