深入剖析TPS43060EVM - 199评估模块

在电子设计领域，DC - DC转换器的设计与应用至关重要。今天，我们来深入了解德州仪器（Texas Instruments）的TPS43060EVM - 199评估模块，它能帮助电子工程师更好地评估TPS43060 DC - DC同步升压控制器的性能。

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1. 模块背景与性能规格

1.1 模块背景

TPS43060是一款DC - DC同步升压控制器，能在4.5V至38V的输入电压源下实现最高58V的输出电压。它拥有7.5V的栅极驱动电源，适合与标准阈值MOSFET配合使用。评估模块的额定输入电压范围为10V至38V，输出电流范围为0A至3A。其开关频率外部设置为标称300kHz，外部高端和低端FET的栅极驱动电路集成在TPS43060封装内。模块采用英飞凌的BSC123N08NS3G作为高端和低端MOSFET，通过外部电感DCR或电阻电流感应实现逐周期电流限制的调整，补偿组件在集成电路外部，外部电阻分压器可实现输出电压的调整。此外，TPS43060还提供了带迟滞的可调欠压锁定、通过外部电容实现的可调慢启动时间以及电源良好输出电压指示。

1.2 性能规格总结

评估模块的性能规格在输入电压(V_{IN}=24V)、输出电压40V的条件下进行测试（除非另有说明），环境温度为25°C。具体规格如下：

• 输入电压范围：10V - 38V
• 输出电压设定点：40V
• 输出电流范围：当(V{IN}=15V)至38V时为0A - 3A；当(V{IN}=10V)时为0A - 2A
• 线路调节率：(V{IN}=10V)至35V，(I{OUT}=2A)时为±0.1%
• 负载调节率：(I_{OUT}=0.001A)至3A时为±0.1%
• 负载瞬态响应：(I{OUT})从0.75A到2.25A时，电压变化 - 700mV，恢复时间1ms；(I{OUT})从2.25A到0.75A时，电压变化600mV，恢复时间1ms
• 环路带宽：(I_{OUT}=3A)时为4.7kHz
• 相位裕度：(I_{OUT}=3A)时为64
• 输入电压纹波：(I_{OUT}=3A)时为100mVpp
• 输出电压纹波：(I_{OUT}=3A)时为350mVpp
• 输出上升时间：25ms
• 工作频率：300kHz
• 峰值效率：(I_{OUT}=3A)时为97.7%
• DCM阈值：660mA
• 脉冲跳过阈值：3.5mA
• 无负载输入电流：1.3mA
• UVLO启动阈值：9.66V
• UVLO停止阈值：7.92V

2. 模块原理图与修改方法

2.1 原理图

模块的原理图展示了其电路结构，包含输入、输出、MOSFET、电感、电容、电阻等元件的连接方式。通过原理图，我们可以清晰地了解模块的工作原理和信号流向。

2.2 修改方法

• 输出电压设定点：要改变评估模块的输出电压，需改变电阻R8的值。可使用公式(R{HS}=R{LS} × frac{V{OUT }-V{FB}}{V{FB}})计算，其中(R{HS})是R8，(R{LS})是R9，(V{FB})是1.22V，建议R9的值接近10kΩ。同时，(V_{IN})必须在一定范围内，以确保最小导通时间大于典型的100ns，最小关断时间大于典型的250ns和开关周期的5%中的较大值。
• 电流感应：默认配置为电阻电流感应，R13和R14安装，R15开路。调整输入电压、输出电压或期望的最大输出电压时，可能需要调整电流感应电阻R16和R17。首先使用公式(L{peak} =frac{V{OUT }}{1-frac{V{OUT }-V{IN } min }{V{OUT }}}+frac{V{IN } min × frac{V{OUT }-V{IN } min }{V{OUT }}}{2 × L × f{SW}})计算峰值电感电流，然后使用公式(R{CS}=frac{V{CS} typ }{1.2 × L{peak }})计算所需的电流感应电阻，其中(V{CS} typ)是电流感应阈值，应根据TPS43060数据手册和应用中的最大占空比确定。对于电感DCR电流感应，应将R14开路，同时将R15、R16、R17和R18短路。
• 慢启动时间：通过改变C7的值来调整慢启动时间，可使用公式(C{SS}=frac{t{SS} × I{SS}}{V{REF}})计算所需电容，其中(I{SS})是典型的5μA充电电流，(V{REF})是1.22V的内部参考电压。评估模块使用(C7 = 0.1μF)设置慢启动时间为25ms。
• 可调欠压锁定（UVLO）：可使用R3和R4外部调整欠压锁定。评估模块使用(R3 = 357kΩ)和(R4 = 47.5kΩ)设置启动电压为9.66V，停止电压为7.92V。使用公式(R{UVLO_L}=frac{R{UVLO_H} × V{EN_DIS}}{V{STOP}-V{EN_DIS}+R{UVLO_H} timesleft(I{EN_pup}+I{EN_hys }right)})和(R{UVLO_H }=frac{V{START } timesleft(frac{V{EN_DIS }}{V{EN_ON }}right)-V{STOP }}{I{EN_pup} timesleft(1-frac{V{EN_DIS }}{V{EN_ON }}right)+I{EN_hys }})分别计算R3和R4的所需电阻值，典型常量值为(V{EN_DIS}=1.14V)，(V{EN_ON}=1.21V)，(I{EN_pup}=1.8μA)，(I_{EN_hys}=3.2μA)。
• 输入电压轨：评估模块设计为适应功率级和控制逻辑的不同输入电压水平。默认配置下，VIN输入通过安装0Ω电阻R11连接，输入电压通过J6提供。如果需要，可移除R11以分离两个输入电压轨，控制逻辑输入电压可通过J4提供，功率级输入电压通过J6提供。
• 进一步修改：改变评估模块的输入和输出条件会影响设计，可能需要修改电感、输出电容和补偿组件以实现应用中的期望性能，具体可参考数据手册或产品文件夹中的Excel设计电子表格。

3. 测试设置与结果

3.1 输入/输出连接

评估模块包含I/O连接器和测试点，需使用能够提供至少12A的电源通过一对20 - AWG电线连接到J6，负载通过一对20 - AWG电线连接到J2，最大负载电流能力为3A。应尽量减小电线长度以减少电线中的损耗。测试点TP8用于监测(V_{IN})输入电压，TP9作为接地参考；TP3用于监测输出电压，TP4作为接地参考。

3.2 效率

在标称(V_{IN}=24V)时，评估模块的效率在负载电流约为3A时达到峰值，随后随着负载电流向最大负载增加而降低。不同输入电压下的效率曲线展示了模块在不同负载电流下的效率表现。需要注意的是，由于所选外部MOSFET的漏源电阻随温度变化，在较高环境温度下效率可能会降低。

3.3 输出电压调节

负载调节和线路调节曲线展示了评估模块在不同负载电流和输入电压下的输出电压偏差情况。在环境温度为25°C时，负载调节率和线路调节率均为±0.1%，表明模块具有良好的电压调节性能。

3.4 负载瞬态和环路响应

负载瞬态响应曲线展示了模块在负载电流从25%到75%最大额定负载变化时的输出电压变化情况，包括纹波和噪声。环路响应曲线展示了模块在标称(V_{IN}=24V)、负载电流为3A时的增益和相位特性。

3.5 输出电压纹波

分别展示了连续导通模式（CCM）、不连续导通模式（DCM）和脉冲跳过模式下的输出电压纹波情况。在不同的输出电流和输入电压条件下，模块的输出电压纹波表现不同。

3.6 输入电压纹波

展示了CCM和DCM模式下的输入电压纹波情况，测量是在输出电流为额定满载3A和标称(V_{IN}=24V)的条件下进行的。

3.7 启动和关机

启动波形展示了模块在输入电压上升和EN信号变化时的启动过程，包括(V{CC})、(V{OUT})和PGOOD信号的变化。关机波形展示了模块在输入电压移除和EN信号接地时的关机过程。

3.8 栅极驱动信号

展示了高端和低端FET的栅极驱动信号与开关节点的波形，输入电压为24V，输出负载为3A。

4. 物料清单与电路板布局

4.1 物料清单

物料清单详细列出了评估模块所使用的各种元件，包括电容、电阻、二极管、MOSFET、电感、连接器、测试点等，以及它们的参数、规格、制造商和型号。

4.2 电路板布局

评估模块的电路板采用4层2 - oz铜设计。顶层包含(V{IN})、(V{OUT})和SW的主要功率走线，以及所有其他组件，方便用户查看、探测和评估TPS43060控制IC。其余三层有额外的铜用于VIN、VOUT、AGND和PGND，并通过多个过孔连接。第二内部层和底层包含信号路由。TPS43060器件下方的四个过孔提供了从顶层接地平面到底层和内部AGND平面的热路径。布局遵循一定的准则，如将所有对噪声敏感的模拟电路尽可能靠近IC放置，电压分压器网络在底层靠近输出电容处连接到输出电压，Q1和Q2尽可能靠近IC以缩短栅极驱动走线，输出电容放置在Q1和Q2旁边以限制高频开关电流路径的长度，SW铜面积尽可能小以限制高频开关电压节点的辐射噪声等。

通过对TPS43060EVM - 199评估模块的详细分析，我们可以看到它在DC - DC升压控制方面具有良好的性能和可调节性。电子工程师可以根据实际需求对模块进行修改和优化，以满足不同应用的要求。大家在实际使用中是否遇到过类似模块的调试问题呢？欢迎在评论区分享交流。