德州仪器高功率密度低剖面NexFET™电源模块CSD87588NEVM - 603深度解析

在电子设备的电源设计领域，高功率密度和低剖面的电源模块一直是工程师们追求的目标。德州仪器（TI）的CSD87588NEVM - 603评估模块（EVM），就是这样一款具有代表性的产品。今天，我们就来深入探讨一下这款模块的特点、性能以及使用方法。

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一、模块概述

CSD87588NEVM - 603旨在使用8至20V的稳压电源，输出1.0V电压，最大负载电流可达25A。它结合了TI的TPS51219控制器，以D - CAP2™模式运行，适用于笔记本电脑、I/O电源和系统电源等典型低电压应用场景。

1.1 典型应用

• 笔记本电脑：为笔记本电脑的各种组件提供稳定的电源供应。
• I/O电源：满足I/O设备对电源的需求。
• 系统电源：为整个系统提供可靠的电力支持。

1.2 模块特点

• 高精度输出：输出电压为1.0V，公差仅为2%，能为对电压精度要求较高的设备提供稳定的电源。
• 大电流输出：最大稳态输出电流可达25A，可满足高功率设备的需求。
• 高开关频率：开关频率为300kHz，有助于提高电源转换效率。
• 高效能表现：峰值效率超过89.5%，能有效降低能量损耗。

二、电气性能规格

参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入特性
电压范围	VIN电压		12	20	V
5V电压	4.5	5	5.5	V
输出特性
输出电压，VOUT	VIN = 12V，IOUT = 10A		1.0		V
输出负载电流，IOUT			20	25	A
系统特性
开关频率	VIN = 12V，VOUT = 1.0V，IOUT = 20A		300		kHz
峰值效率	VIN = 12V，VOUT = 1.0V		89.6		%
满载效率	VIN = 12V，VOUT = 1.0V，IOUT = 25A		83.4		%
工作温度			25		°C

输出电压可以通过改变原理图中R305和R308的值进行调整，具体细节可参考TPS51219的数据手册SLUSAG1。TPS51219支持0.5至2V的输出电压范围。

三、测试设置

3.1 测试设备

• 电压源：
  • VIN：0 - 20V可变直流电源，能够提供10A直流电流，连接到J303。
  • V5VIN：0 - 5V可变直流电源，能够提供1A直流电流，连接到J301。
• 万用表：
  • V1：测量TP304（Vins）和TP305（GNDS）之间的VIN电压。
  • V2：测量TP301（5V）和TP302（GND）之间的5V电压。
  • V3：测量TP308（Vouts）和TP309（GNDS）之间的输出电压。
  • A1：测量VIN输入电流。
  • A2：测量V5VIN输入电流。
• 输出负载：电子恒阻模式负载，能够在1.0V下提供0 - 30A直流电流。
• 示波器：数字或模拟示波器，用于测量开关节点波形。使用差分探头，设置示波器阻抗为50Ω，带宽为1GHz，直流耦合，水平分辨率为50ns/division，垂直分辨率为5V/division。测量开关节点波形时，将负探头放在输入电容的GND焊盘上，正探头放在CSD87588N Vsw顶部金属上。
• 风扇：TI建议使用200 - 400LFM的小型风扇，在负载电流高于20A时运行，以降低组件温度。
• 推荐线规：
  • VIN到J303（8 - 20V输入）：推荐使用1根14号AWG线，总长度小于4英尺（输入2英尺，返回2英尺）。
  • V5VIN到J301（5V输入）：推荐使用1根18号AWG线，总长度小于4英尺（输入2英尺，返回2英尺）。
  • J304到负载：最小推荐使用2根14号AWG线，总长度小于4英尺（输出2英尺，返回2英尺）。

3.2 推荐测试设置

在ESD工作站工作时，确保连接好手腕带、靴带或垫子，并在给EVM通电前参考用户接地。

• 输入连接：
  • 连接DC源VIN前，将源电流限制在最大10A，初始设置VIN为0V并连接。
  • 连接DC源V5VIN前，将源电流限制在最大0.5A，初始设置V5VIN为0V并连接。
  • 在TP304（Vins）和TP305（GNDS）连接电压表V1测量VIN电压，在TP301（5V）和TP302（GND）连接电压表V2测量5V电压。
  • 在DC源VIN和J303之间连接电流表A1测量输入电流。
  • 在DC源V5VIN和J301之间连接电流表A2测量5V输入电流。
• 输出连接：
  • 在施加VIN和V5VIN之前，将负载连接到J304并设置为恒阻模式，吸收0A直流电流。
  • 在TP308（VOUTS）和TP309（GNDS）连接电压表V3测量输出电压。

四、测试程序

4.1 线路和负载调节及效率测量程序

1. 确保负载设置为恒阻模式，吸收0A直流电流。
2. 在施加VIN和V5VIN之前，在EVM上的J302处放置跳线，将EVM设置为关闭位置。
3. 将VIN从0V增加到12V，使用V1测量输入电压。
4. 将V5VIN从0V增加到5V，使用V2测量输入电压。
5. 移除J302上的跳线以启用控制器。
6. 打开风扇。
7. 将负载从0 - 25A变化，VOUT应保持在负载调节范围内。
8. 将VIN从12V变化到19V，VOUT应保持在线路调节范围内。
9. 将负载减小到0A。
10. 放置跳线短路J302以禁用控制器。
11. 将V5VIN减小到0V。
12. 将VIN减小到0V。

4.2 测试点列表

测试点	名称	描述
TP301	5V	5V电源
TP302	GND	5V电源的接地
TP303	PGOOD	电源正常信号
TP304	Vins	VIN电源
TP305	GND	VIN电源的接地
TP306	SW	开关节点
TP308	Vouts	VOUT感测
TP309	GNDS	接地感测
TP307	REFIN	REFIN（输出电压设置）
TP310	GSNS	差分传感（低）
TP311	VSNS	差分传感（高）

4.3 设备关机

1. 关闭负载。
2. 在J302处放置跳线。
3. 关闭V5VIN和VIN。

五、性能数据和典型特性曲线

通过图4至图6可以看到CSD87588NEVM - 603的典型性能曲线，包括效率与输出电流的关系以及不同输入电压和输出电流下的开关节点波形。这些曲线可以帮助工程师更好地了解模块的性能表现，在实际应用中做出更合适的设计决策。

六、EVM组装图和PCB布局

CSD87588NEVM - 603采用六层1盎司铜电路板设计，图7至图14展示了其印刷电路板的设计。合理的PCB布局对于电源模块的性能至关重要，它可以减少电磁干扰、提高散热效率等。工程师在设计类似产品时，可以参考这些布局图，优化自己的设计。

七、物料清单

该模块的物料清单详细列出了各个组件的信息，包括数量、设计符号、值、描述、封装参考、零件编号和制造商等。这对于工程师进行物料采购和模块组装非常有帮助。

八、总结

CSD87588NEVM - 603评估模块以其高功率密度、低剖面和高效能等特点，为笔记本电脑等设备的电源设计提供了一个优秀的解决方案。通过对其电气性能、测试设置、测试程序等方面的详细了解，工程师可以更好地应用这款模块，满足不同应用场景的需求。同时，在使用过程中，也需要注意遵守相关的法规和使用条件，确保设备的正常运行和安全。你在实际使用这款模块时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。