TPS40210EVM评估模块：非同步升压转换器的实用指南

在电子工程领域，电源转换模块的性能和稳定性至关重要。TPS40210EVM评估模块作为一款固定频率的非同步升压转换器，为工程师们提供了一个可靠的解决方案。下面将深入介绍这款模块的相关特性、性能参数、测试设置以及典型性能数据。

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一、TPS40210EVM评估模块概述

1.1 模块描述

TPS40210EVM评估模块是一款固定频率（600 kHz）的非同步升压转换器，能在12 - V输入总线下提供固定24 - V输出，最大负载电流可达2 A。该模块设计为单电源启动，无需额外的偏置电压。它采用了带有集成N沟道FET驱动器的TPS40210非同步电流模式控制升压控制器。其设计初衷是在典型的12 - V总线系统中展示TPS40210的性能，并提供多个测试点，方便评估其在特定应用中的表现。此外，通过更改部分组件，该模块还可修改为其他输入或输出电压。

1.2 应用领域

该模块适用于多种场景，包括非隔离低电流负载点和电压总线转换器、消费电子产品、LCD电视、计算机外设以及数字机顶盒等。

1.3 模块特性

• 输入范围：12 - V ±10% / -20%。
• 输出电压：固定24 - V，可通过改变电阻进行调整（可能需要补偿调整）。
• 开关频率：600 - kHz。
• 器件组成：采用单个SO - 8开关MOSFET和整流二极管。
• PCB设计：双面2有源层PCB，所有组件位于顶层（测试点信号路由在内部层）。
• 有源转换面积：小于2.5平方英寸（< 1.15” x 2.15”）。
• 测试便利性：提供方便的测试点，用于探测开关波形和进行非侵入式环路响应测试。

二、电气性能规格

符号	参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入特性
VIN	输入电压		8	12	14	V
IIN	输入电流	VIN = 典型值，IOUT = 最大值	-	4.3	4.5	A
无负载输入电流	VIN = 典型值，IOUT = 0 A	-	12	20	mA
VIN_UVLO	输入欠压锁定	IOUT = 100 mA	4	4.2	4.4	V
输出特性
VOUT1	输出电压1	VIN = 典型值，IOUT = 典型值	24	24.5	25	V
线性调整率	VIN = 最小值到最大值	-	-	1	%
负载调整率	IOUT = 最小值到最大值	-	-	1	%
VOUT_ripple	输出电压纹波	VIN = 典型值，IOUT = 最大值	-	-	500	mVpp
IOUT1	输出电流1	VIN = 最小值到最大值	0		2	A
IOCP1	输出过流通道1	VIN = 典型值，VOUT = VOUT1 - 5%	3.1	3.7	4.5	A
IOCP2	输出过流通道2	VIN = 典型值，VOUT = VOUT2 - 5%	3.1	3.7	4.5	A
系统特性
FSW	开关频率		540	600	660	kHz
ηpk	峰值效率	VIN = 典型值	-	90	-	%
η	满载效率	VIN = 典型值，IOUT = 最大值	-	85	-	%

三、原理图及测试点说明

3.1 使能跳线（JP1）

TPS40210EVM提供一个3针、100 - mil的插头和分流器，用于实现TPS40210的使能功能。当移除JP1分流器时，R1和R2上拉TPS40210的反相使能端，关闭TPS40210开关；将分流器插入左侧（使能）位置时，将TPS40210的反相使能端拉至地，开启TPS40210输出。由于二极管D1的存在，当TPS40210关闭时，输出电压将保持在输入电压的500 mV以内。

3.2 测试点描述

测试点	标签	用途	章节
TP1	VIN	监测输入电压	3.2.1
TP2	GND	输入电压的接地端	3.2.1
TP3	COMP	监测COMP电压	3.2.2、3.2.5
TP4	GND	COMP电压的接地端	3.2.2、3.2.5
TP5	RC	监测RC振荡器电压	3.2.3
TP6	GND	振荡器电压的接地端	3.2.3
TP7	GATE	监测GATE驱动器电压	3.2.4
TP8	GND	GATE和SW的接地端	3.2.4
TP9	SW	监测开关节点	3.2.4
TP10	GND	通道A环路监测的接地端	3.2.5
TP11	CHA	通道A用于环路监测	3.2.5
TP12	CHB	通道B用于环路监测	3.2.5
TP13	GND	通道B环路监测的接地端	3.2.5
TP14	VOUT	监测VOUT电压	3.2.6
TP15	GND	VOUT电压的接地端	3.2.6

3.2.1 输入电压监测（TP1和TP2）

通过这两个测试点，用户可以测量模块的实际输入电压，避免输入电缆和连接器的损耗。测量时，将电压表的正端连接到TP1，负端连接到TP2。

3.2.2 控制电压监测（TP3和TP4）

该测试点用于测量返回给TPS40210用于PWM生成的控制电压（COMP）。连接示波器探头到TP3，不仅可以监测控制电压的噪声或未滤波输出纹波，还能直接测量功率级增益。

3.2.3 振荡器/斜坡监测（TP5和TP6）

通过TP5监测PWM振荡器，TP6作为本地接地连接，可用于监测振荡器和电流模式控制斜率补偿。连接示波器探头到TP5，即可监测斜率补偿斜坡。

3.2.4 开关波形监测（TP7、TP8和TP9）

这些测试点用于监测栅极驱动（TP7）和开关节点（TP9）的波形，TP8作为本地接地连接。连接示波器探头到TP7和TP9，可分别监测栅极驱动电压和开关节点电压。

3.2.5 环路分析（TP3、TP10、TP11、TP12和TP13）

模块在反馈环路中包含一个51 - Ω的串联电阻（R13），用于进行匹配阻抗信号注入，以进行环路响应分析。使用隔离变压器在TP11和TP12之间施加一个小信号（30 mV或更小），通过监测TP11的交流注入电平以及TP13的返回交流电平，可确定电源环路响应。此外，还可以通过不同的连接方式测量功率级传递函数和误差放大器传递函数。

3.2.6 输出电压监测（TP14和TP15）

这两个测试点用于测量模块的实际输出电压，避免输出电缆和连接器的损耗。测量时，将电压表的正端连接到TP14，负端连接到TP15。对于输出纹波测量，可采用尖端和桶形测量技术，将示波器探头尖端穿过TP14，接地桶形端连接到TP15。

四、测试设置

4.1 所需设备

• 电压源：输入电压源（VIN）应为0 - V至15 - V的可变直流源，能够提供8 A的电流。
• 仪表：包括0 - 7 - A的直流电流表（A1）、0 - 15 - V的电压表（V1）用于测量VIN，以及0 - 25 - V的电压表（V2）用于测量VOUT。
• 负载：输出负载（LOAD1）应为电子恒流模式负载，能够在24.0 V下提供0 - 2 A的电流。
• 示波器：可使用数字或模拟示波器测量VOUT的纹波电压。示波器应设置为1 - MΩ阻抗、20 - MHz带宽、交流耦合、1 - µs/格的水平分辨率和10 - mV/格的垂直分辨率。
• 推荐线规：VIN到J1的连接，推荐使用AWG #14的电线，总长度小于四英尺；J2到LOAD1的连接，推荐使用AWG #18的电线，总长度小于两英尺。
• 其他：由于评估模块中的组件可能会发热，建议使用一个能够提供400 lfm风量的小风扇，以降低组件表面温度，防止用户受伤。

4.2 设备设置步骤

1. 在ESD工作站工作时，确保在给EVM供电前，将任何腕带、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VIN之前，建议将源电流限制在最大8.0 A，并将VIN初始设置为0 V，按照图2进行连接。
3. 在VIN和J1之间连接电流表A1（0 A至8 A范围）。
4. 将电压表V1连接到TP1和TP2。
5. 将LOAD1连接到J2，并在施加VIN之前将LOAD1设置为恒流模式，使其吸收0 A的电流。
6. 将电压表V2跨接在TP14和TP15之间。
7. 放置风扇并开启，确保空气流过EVM。

4.3 启动/关闭程序

1. 将VIN从0 V增加到12 VDC。
2. 将LOAD1从0 A变化到2 A。
3. 将VIN从8 VDC变化到14 VDC。
4. 将VIN降低到0 VDC。
5. 将LOAD1降低到0 A。

4.4 输出纹波电压测量程序

1. 将VIN从0 V增加到12 VDC。
2. 将LOAD1调整到所需负载（0 A至2 A）。
3. 将VIN调整到所需负载（8 VDC至14 VDC）。
4. 将示波器探头连接到TP14和TP15。
5. 测量输出纹波。
6. 将VIN降低到0 VDC。
7. 将LOAD1降低到0 A。

4.5 控制环路增益和相位测量程序

1. 将1 - kHz至1 - MHz的隔离变压器连接到TP11和TP12。
2. 将输入信号幅度测量探头（通道A）连接到TP11。
3. 将输出信号幅度测量探头（通道B）连接到TP13。
4. 将通道A和通道B的接地引线连接到TP10和TP13。
5. 通过隔离变压器在R13上注入30 mV或更小的信号。
6. 以10 Hz或更低的后置滤波器从1 kHz到1 MHz扫描频率。
7. 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. 通过特定的连接方式测量功率级传递函数。
10. 通过特定的连接方式测量误差放大器传递函数。
11. 在进行其他测量之前，断开隔离变压器，以免信号注入反馈影响其他测量的准确性。

4.6 设备关闭

依次关闭示波器、VIN、LOAD1和风扇。

五、典型性能数据和特性曲线

文档中提供了一系列典型性能曲线，包括效率与负载电流的关系、输出电压与负载电流的关系、输出电压纹波、开关节点波形、控制环路BODE图以及启动和软启动特性等。需要注意的是，实际性能数据可能会受到测量技术和环境变量的影响，这些曲线仅供参考。

六、EVM组装图和布局

TPS40210EVM采用4层、2 - oz覆铜电路板，尺寸为3.0” x 3.0”，所有组件位于顶层的1.15” x 2.15”有源区域内，有源走线分布在顶层和底层，方便用户观察、探测和评估TPS40210控制设备在实际双面应用中的性能。对于空间受限的系统，可将组件移至PCB的两侧或使用额外的内部层，以进一步减小尺寸。

七、材料清单

文档提供了详细的材料清单，包括电容器、二极管、电阻器、电感器、MOSFET、测试点等组件的型号和制造商信息。

总之，TPS40210EVM评估模块为工程师提供了一个全面的平台，用于评估和开发基于TPS40210的非同步升压转换器应用。通过合理的测试设置和性能评估，工程师可以更好地了解该模块的特性和性能，为实际应用提供有力的支持。你在使用这款模块的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。