10 - V to 55 - V输入、3.3 - V输出、4 - A宽输入范围同步降压转换器TPS40060的设计与应用

一、引言

在电子设备的电源设计中，宽输入范围的同步降压转换器是一种非常实用的电路。TPS40060EVM评估模块就是这样一款高效的宽输入范围同步降压转换器，它能在10 - V到55 - V的输入电压下，提供固定的3.3 - V输出，最大负载电流可达4 A。而且，该模块设计为可从单电源启动，无需额外的偏置电压。

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二、TPS40060EVM的特点与应用

2.1 特点

• 高效转换：在10 V输入时，峰值效率可达93%，满载效率达91%。
• 宽输入范围：支持10 V到55 V的输入电压，能适应多种电源。
• 固定输出可调：输出电压固定为3.3 V，还可通过单个电阻进行调节。
• 大电流输出：能提供4 A的直流输出电流。
• 高频运行：工作频率为250 kHz。
• 简洁设计：采用单个主开关MOSFET和单个同步整流MOSFET，尺寸紧凑，为表面贴装设计（2.0” x 2.2”）。
• 电压模式控制：具备高达20 kHz的反馈环路带宽，可实现快速瞬态响应和高稳定性运行。
• 方便测试：双面PCB，功率级和器件都在顶层，还设有方便探测关键波形和进行非侵入式环路响应测试的测试点。

2.2 应用

适用于需要轻电流和低输出电压的输入系统，如DSP和逻辑电源、通用计算、从非稳压或可变总线电压进行负载点DC/DC转换等。

三、电气性能规格

3.1 输入特性

• 输入电压范围：10 V到55 V。
• 最大输入电流：在10 V ≤ VIN ≤ 55 V，IOUT = 4 A时，为1.5 - 1.8 A。
• 空载输入电流：在10 V ≤ VIN ≤ 55 V，IOUT = 0 A时，为15 mA。

3.2 输出特性

• 输出电压设置：在10 V ≤ VIN ≤ 55 V，0 A ≤ IOUT ≤ 4 A时，为3.25 - 3.35 V。
• 线路调节率：在10 V ≤ VIN ≤ 55 V，IOUT = 0 A时，为1%。
• 负载调节率：VIN = 32 V时，为1%。
• 输出电压纹波：VIN = 55 V，IOUT = 4 A时，为30 mVpp。
• 输出负载电流：最大为4 A。

3.3 控制环路特性

• 开关频率：225 - 275 kHz。
• 控制环路带宽：15 - 30 kHz。
• 相位裕度：60 - 90°。

3.4 效率

不同输入电压下的峰值效率和满载效率有所不同，例如10 V输入时，峰值效率93%，满载效率91%；55 V输入时，峰值效率80%，满载效率80%。

四、电阻分压器与输出电压调节

通过改变反馈电阻分压器中的接地电阻（R1），可在有限范围内调节稳压输出电压。输出电压计算公式为：[V{OUT }=V{REF } timesleft(1+frac{R 6}{R 1}right)] ，其中 (V_{REF }=0.7 ~V) ， (R 6=6.04 k Omega) 。文档中给出了不同输出电压对应的R1值，如输出3.3 V时，R1为1.62 kΩ。

五、测试设置

5.1 EVM设置

按照图2所示的基本测试设置进行连接，需注意VIN和LOAD1的连接应保持分开。

5.2 输出负载（LOAD1）

使用可编程电子负载，设置为恒流模式，能吸收0 - 4 A的直流电流。建议使用直流电压表V2直接在TP10和TP9端子测量输出电压，以减少测量误差。

5.3 直流输入源（VIN）

输入电压源应为可变直流源，能在0 - 55 Vdc范围内提供不小于2 A的电流，并连接到J1。为保护EVM，应将源电流限制在不超过2 A。同时，在VIN和J1之间插入直流电流表A1测量输入电流，用直流电压表V1连接TP1和TP2测量VIN。

5.4 网络分析仪

可直接连接到图2中的TP3和TP4，利用TPS40060EVM输出和电压反馈之间的50 Ω电阻（R9），方便进行控制到输出环路响应的非侵入式测量。

5.5 推荐线规

连接源电压VIN和EVM的J5时，推荐使用最小AWG #18的电线，总长度小于8英尺；连接EVM的J7和LOAD1时，推荐使用最小AWG #12的电线，总长度小于8英尺。

5.6 测试点和示波器测试插孔

TP5、TP6、TP7和TP8可用于方便地进行非侵入式探测和测量高速噪声敏感信号，如栅极驱动电压、开关节点电压和输出电压纹波。

5.7 风扇

由于功率转换器的部分组件在运行时温度可能接近60°C，建议使用一个风量在200 - 400 LFM的小风扇，以降低组件温度。

六、上电/下电测试程序

1. 在ESD工作站工作，确保在给EVM上电前连接好防静电腕带、脚带或垫子，同时佩戴静电服和安全眼镜。
2. 在连接直流输入源VIN之前，将源电流限制在最大2 A，在VIN和J1之间连接量程为0 - 2 A的电流表A1，并将VIN初始设置为0 V。
3. 将LOAD1连接到J2，在施加VIN之前将LOAD1设置为恒流模式，吸收0 A电流。
4. 将电压表V2连接到TP9和TP10。
5. 将VIN从0 V增加到10 Vdc，同时监测V2上的输出电压，当VIN > 10 V时，VOUT应处于稳压状态。
6. 打开风扇，直接向EVM吹风。
7. 将LOAD1的电流在0 - 4 A之间变化。
8. 将输入电压在10 - 55 V之间变化。
9. 将LOAD1设置为0 A。
10. 将VIN设置为0 Vdc。
11. 关闭电子负载。
12. 关闭VIN。

七、性能数据和特性曲线

文档给出了效率与负载电流的关系曲线，以及环路响应增益和相位与频率的关系曲线，这些曲线有助于工程师更好地了解TPS40060EVM在不同工作条件下的性能。

八、EVM组装图和PCB布局

TPS40060EVM采用廉价的双面覆铜电路板，尺寸为3.0” x 3.5”，所有组件和布线都局限在2.0” x 2.2”的区域内，方便将该电路设计集成到几乎任何PCB设计中，无需添加额外的内层，也可作为外部模块使用。

九、材料清单

文档详细列出了TPS40060EVM的组件清单，包括电容、电阻、二极管、MOSFET、电感等元件的型号、数量、规格和制造商等信息，为工程师进行电路设计和组装提供了参考。

在实际设计中，工程师们可以根据这些信息，结合具体的应用需求，灵活运用TPS40060EVM进行电源设计。大家在使用过程中有没有遇到过类似宽输入范围转换器的设计难题呢？欢迎交流分享。