TPS40077 Buck控制器评估模块使用指南

一、引言

在电子设计领域，开关电源的设计至关重要。TPS40077EVM - 001评估模块为我们提供了一个很好的平台，用于评估TPS40077降压控制器的性能。它能够将12V输入转换为稳定的1.8V输出，最大负载电流可达10A，适用于多种应用场景。

文件下载：TPS40077EVM-001.pdf

二、模块概述

2.1 描述

TPS40077EVM - 001使用8V - 16V的输入总线，能够产生高达10A负载电流的1.8V稳压输出。该模块展示了TPS40077在典型12V总线到低压应用中的使用，同时提供了多个测试点，方便评估TPS40077的性能。通过更改单个电阻，还可以将输出电压调整为0.9V - 3.3V。

2.2 应用

• 非隔离、中电流负载点和低压总线转换器。
• 网络设备。
• 电信设备。
• 直流电源分布式系统。

2.3 特性

• 输入范围：8V - 16V。
• 固定1.8V输出，可通过单个电阻调节。
• 10A直流稳态输出电流。
• 300kHz开关频率。
• 单主开关N沟道MOSFET和单同步整流器N沟道MOSFET。
• 双面PCB，所有元件都在顶层。
• 有源转换器面积小于2.4平方英寸（1.0英寸×2.4英寸）。
• 方便的测试点，用于探测关键波形和非侵入式环路响应测试。

三、电气性能规格

3.1 输入特性

参数	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压（VIN）	8	12	16	V
输入电流（IIN，VIN = 典型值，IOUT = 最大值）	1.7	1.8	-	A
无负载输入电流（VIN = 典型值，IOUT = 0A）	80	100	-	mA
输入欠压锁定（VIN_UVLO，IOUT = 最小值到最大值）	5.4	6	6.6	V
输入导通电压（VIN_ONV，IOUT = 最小值到最大值）	6.3	7	7.7	V

3.2 输出特性

参数	最小值	典型值	最大值	单位
输出电压（VOUT，VIN = 典型值，IOUT = 典型值）	1.75	1.8	1.85	V
线性调整率（VIN = 最小值到最大值，IOUT = 典型值）	-	-	0.5%	-
负载调整率（VIN = 典型值，IOUT = 最小值到最大值）	-	-	0.5%	-
输出纹波电压（VOUT_ripple，VIN = 典型值，IOUT = 最大值）	-	-	40	mVpp
输出电流（IOUT，VIN = 最小值到最大值）	0	5	10	A
输出过流起始点（IOCP，VIN = 典型值，VOUT = VOUT - 5%）	12.25	19.4	34	A
瞬态响应：负载阶跃（IOUT_max到0.2 × IOUT_max）	-	-	8	A
负载变化率	-	-	-	A/μsec
过冲	-	-	300	mV
稳定时间	-	-	0.1	msec

3.3 系统特性

参数	最小值	典型值	最大值	单位
开关频率（fSW）	240	300	360	kHz
峰值效率（ηpk，VIN = 典型值，IOUT = 最小值到最大值）	-	90%	-	-
满载效率（η，VIN = 典型值，IOUT = 最大值）	-	89%	-	-
工作温度范围（VIN = 最小值到最大值，IOUT = 最小值到最大值）	-40	25	85	°C

3.4 机械特性

参数	数值	单位
尺寸（有源区域）宽度	1	英寸
长度	2.4	英寸
元件高度	0.41	英寸

四、原理图及相关操作

4.1 调整输出电压

通过改变反馈电阻分压器（R3，R13）中的接地电阻，可以在有限范围内调整稳压输出电压。以下是常见输出电压对应的R3和R13值：	VOUT	R3	R13
1.2 V	9.53 kΩ	62.0 kΩ
1.5 V	5.36 kΩ	140 kΩ
1.8 V	4.42 kΩ	24.9 kΩ
2.5 V	2.37 kΩ	71.5 kΩ
3.3 V	1.60 kΩ	220 kΩ

需要注意的是，TPS40077EVM - 001在这些输出电压下是稳定的，但由于功率级是针对1.8V输出进行优化的，效率可能会受到影响。

4.2 禁用功能

TPS40077EVM - 001提供了一个禁用输入（J3），用户可以通过短接J3的引脚来禁用TPS40077控制器，此时EVM将关闭，两个FET驱动器也会关闭。

4.3 测试设置

4.3.1 设备

• 电压源：输入电压源（V12V_IN）应为0V - 16V的可变直流源，能够提供5A的直流电流。将其连接到J1。
• 仪表：包括0 - 5A的电流表A1、0V - 16V的电压表V1（测量V12V_IN）和0V - 5V的电压表V2（测量V1V5_OUT）。
• 负载：输出负载（LOAD1）必须是能够在1.8V下提供0A - 15A直流电流的恒流模式电子负载。
• 示波器：可使用数字或模拟示波器测量Vout上的纹波电压。示波器应设置为1MΩ阻抗、20MHz带宽、交流耦合、1μs/格的水平分辨率和20mV/格的垂直分辨率。通过将示波器探头尖端穿过TP9并将接地桶连接到TP10来测量输出纹波电压。
• 推荐线规：V12V_IN到J1的连接应使用最小AWG #16的电线，总长度小于4英尺（输入2英尺，返回2英尺）；J2到LOAD1的电源连接应使用2 × AWG #16的电线，总长度小于4英尺（输出2英尺，返回2英尺）。

4.3.2 设备设置步骤

1. 在ESD工作站工作，确保在给EVM通电前，将任何腕带、鞋带或垫子连接到接地，同时佩戴静电服和安全眼镜。
2. 在连接直流输入源V12V_IN之前，建议将源电流限制在最大5.0A，并将V12V_IN初始设置为0V，然后按照图3 - 3进行连接。
3. 按照图3 - 3连接电流表A1。
4. 将电压表V1连接到TP1和TP2。
5. 将LOAD1连接到J2，并在施加V12V_IN之前将LOAD1设置为恒流模式以吸收0A直流电流。
6. 将电压表V2连接到输出J2。
7. 将示波器探头连接到TP9和TP10。

4.4 启动/关闭程序

1. 将V12V_IN从0V增加到12V。
2. 将LOAD1从0A变化到10A。
3. 将V12V_IN从8V变化到16V。
4. 将LOAD1减小到0A。

4.5 控制环路增益和相位测量程序

1. 将1kHz - 1MHz的隔离变压器连接到TP3和TP6。
2. 将输入信号幅度测量探头（通道A）连接到TP3。
3. 将输出信号幅度测量探头（通道B）连接到TP6。
4. 将通道A和通道B的接地引线连接到TP8。
5. 通过隔离变压器在TP3和TP6之间注入25mV或更小的信号。
6. 以10Hz或更低的后置滤波器从1kHz到1MHz进行频率扫描。
7. 通过 (20 × LOGleft(frac{ ChannelB }{ ChannelA }right)) 测量控制环路增益。
8. 通过通道A和通道B之间的相位差测量控制环路相位。
9. 在进行其他测量之前，从TP3和TP6断开隔离变压器，因为信号注入反馈可能会干扰其他测量的准确性。

4.6 设备关闭

1. 关闭示波器。
2. 关闭LOAD1。
3. 关闭V12V_IN。

五、典型性能数据和特性曲线

5.1 效率

效率曲线展示了TPS40077EVM - 001在不同输入电压和负载电流下的效率情况。

5.2 线性和负载调整率

该曲线显示了输出电压随输入电压和负载电流变化的情况，线性调整率和负载调整率均控制在0.5%以内。

5.3 输出纹波

典型输出纹波曲线展示了在特定条件下输出电压的纹波情况，最大纹波电压为40mVpp。

5.4 瞬态响应

瞬态响应曲线展示了负载阶跃变化时输出电压的响应情况，包括过冲和稳定时间等参数。

5.5 波特图

波特图展示了控制环路的增益和相位特性，交叉频率为30.7kHz。

六、EVM组装图和布局

TPS40077EVM - 001采用双面2盎司覆铜电路板设计，所有元件都在顶层，方便用户在实际应用中查看、探测和评估TPS40077。对于空间受限的系统，可以将元件移动到PCB的两侧或使用额外的内层来进一步减小尺寸。

七、材料清单

材料清单列出了EVM根据原理图配置的所有组件，包括电容、电感、MOSFET、电阻和IC等，为工程师进行设计和维修提供了详细的信息。

在实际设计中，工程师可以根据这些信息选择合适的组件，并结合测试结果进行优化。你是否在实际设计中遇到过类似的电源模块评估问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。