深入剖析 TPS51513 降压控制器评估模块：设计与应用全解析

在电子工程师的日常工作中，降压控制器的应用极为广泛，而评估模块则是我们了解和验证控制器性能的重要工具。今天，我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）的 TPS51513 降压控制器评估模块 TPS51513EVM - 549。

文件下载：TPS51513EVM-549.pdf

一、模块简介

TPS51513EVM - 549 是一款单相、D - CAP +™ 同步降压转换器评估模块。它能够利用 8 - 14V（典型值 12V）的调节总线，为负载电流高达 20A 的设备提供高电流、可调节的可变输出。通过 3 位 VID 数模转换器（DAC），输出电压可在 0.70V 至 1.05V 之间变化，此外，它还具备固定 1.2V 输出的选项。

典型应用

该评估模块适用于一般集成电路（IC）的 VCORE 应用，为相关电路提供稳定的电源支持。

模块特点

1. 输出电压灵活：通过 3 位 VID DAC 实现 0.70V - 1.05V 可变输出，还有固定 1.2V 输出选项。
2. 高电流输出能力：能够提供 20A 的稳态电流，满足高负载需求。
3. 可选择开关频率：支持 250、300、350 或 500kHz 的开关频率选择，以适应不同的应用场景。
4. 可选择电流限制：可以根据实际需求设置过流保护（OCP）。
5. 可选择输出过冲抑制：通过 OSR™ 功能减少输出电压过冲。
6. 便于测试：设有 J6 用于使能功能，提供了方便的测试点，便于探测关键波形。
7. 优质 PCB 设计：采用六层 PCB，外层为 2oz 铜，有助于提高电气性能。

二、电气性能规格

了解评估模块的电气性能规格对于我们正确使用和评估它至关重要。下面是一些关键的性能指标：

输入特性

• 电压范围：8 - 14V
• 最大输入电流：在 VIN = 8V，1.05V/20A 且开关频率为 300kHz 时，最大输入电流为 3.0A。
• 无负载输入电流：VIN = 14V，输出电流 Io = 0A 时，无负载输入电流为 10mA。

输出特性

• 输出电压：当 VID0 = VID1 = VID2 = 0 时，输出电压为 1.05V。
• 输出电压调节：
  • 线路调节率为 0.1%。
  • 负载调节率（非下垂）为 1.0%。
• 输出电压纹波：在 VIN = 12V，IO = 20A 且开关频率为 300kHz 时，输出电压纹波为 30mVpp。
• 输出负载电流：范围为 0 - 20A，最大过流值为 30A。

系统特性

• 开关频率：可选择 250、300、350 或 500kHz。
• 峰值效率：在 VIN = 12V，1.05V/10A 且开关频率为 300kHz 时，峰值效率为 90.9%。
• 满载效率：VIN = 12V，1.05V/20A 且开关频率为 300kHz 时，满载效率为 89.2%。
• 工作温度：25°C。

三、测试设置

在对评估模块进行测试之前，我们需要做好相应的测试设置，以下是具体的测试设备和推荐的测试设置：

测试设备

1. 电压源：输入电压源 VIN 需为 0 - 14V 可变直流源，能够提供 10ADC 的电流。
2. 万用表：
   • 一个 0 - 14V 的电压表（V1）用于测量 VIN 在 TP1（VIN）和 TP2（GND）处的电压。
   • 一个 0 - 5V 的电压表（V2）用于测量 Vout 在 TP5（VOUT）和 TP8（GND）处的电压。
   • 一个 0 - 10A 的电流表（A1）用于测量输入电流。
3. 输出负载：输出负载应为电子恒定电阻模式负载，能够在 1.05V 下提供 0 - 30ADC 的电流。
4. 示波器：用于测量输出纹波，需设置为 1MΩ 阻抗、20MHz 带宽、AC 耦合、2µs/division 水平分辨率和 20mV/division 垂直分辨率。
5. 风扇：由于评估模块中的部分组件在工作时可能会发热接近 60°C，建议使用一个风速为 200 - 400LFM 的小风扇来降低组件温度。
6. 推荐线规：
   • 对于 VIN 到 J1（12V 输入），推荐使用 AWG 14 规格的电线，总长度应小于 4 英尺（输入 2 英尺，返回 2 英尺）。
   • 对于 J2、J3 到负载，最小推荐线规为 2×AWG 14，总长度同样小于 4 英尺（输出 2 英尺，返回 2 英尺）。

推荐测试设置

具体的测试设置可参考图 4 - 2 所示的连接方式。在静电放电（ESD）工作站上工作时，要确保连接好手腕带、脚垫或垫子，并将用户接地后再处理评估模块。

• 输入连接：
  1. 在连接直流输入源 VIN 之前，建议将源电流限制在最大 10A，并将 VIN 初始设置为 0V。
  2. 在 TP1（VIN）和 TP2（GND）处连接电压表 V1 以测量输入电压。
  3. 在 VIN 直流源和 J1 之间连接电流表 A1。
• 输出连接：
  1. 将负载连接到 J2、J3，并在施加 VIN 之前将负载设置为恒定电阻模式，使其吸收 0ADC 的电流。
  2. 在 TP5（VOUT）和 TP8（GND）处连接电压表 V2 以测量输出电压。
• 其他连接：按照图 4 - 2 所示放置风扇并打开，确保空气能够流过评估模块。

四、配置选项

在对评估模块通电之前，我们可以通过设置跳线来对其进行各种配置：

电流限制跳闸选择（J8：Trip Select）

过流保护（OCP）可以通过 J8 Trip Select（TRIPSEL）进行设置，默认设置为 29A。不同的跳线设置对应不同的 OCP 限制，用户可以根据实际需求进行选择。

频率选择（J7：TON Select）

操作频率可以通过 J7 TON Select（TONSEL）进行设置，默认设置为 300kHz。用户可以根据具体应用选择 250、300、350 或 500kHz 的开关频率。

过冲抑制选择（J9：OSRTM Select）

过冲抑制功能可以通过 J9 OSRTM Select（OSRSEL）进行设置，默认设置为最大抑制。用户可以根据实际情况选择关闭、最小、中等或最大的过冲电压抑制。

VID 位选择（S1）

输出电压可以通过开关 S1（VID Bits）进行设置，默认设置为 000。根据 3 位 VID 表，不同的开关组合对应不同的输出电压，范围从 0.70V 到 1.05V。

睡眠模式选择（SLP）

睡眠模式（SLP）可以通过 J5 进行设置，默认跳线设置为 J5 的引脚 2 和引脚 3 短路，以禁用 SLP 模式。

1.2V 输出电压选项（J10：VOUT 选择）

1.2V 输出可以通过 J10（Vout Select）进行设置，默认设置为 J10 上的跳线短路，以实现 0.70V - 1.05V 的输出（由 3 位 VID 控制）。若不使用跳线，则可设置为 1.2V 输出。

五、测试流程

线/负载调节和效率测量流程

1. 确保负载设置为恒定电阻模式，并吸收 0ADC 的电流。
2. 在施加 VIN 之前，确保评估模块附带的 J6 上的跳线存在。
3. 将 VIN 从 0V 增加到 12V，使用 V1 测量输入电压。
4. 移除 J6 上的跳线以启用控制器。
5. 将负载从 0ADC 变化到 20ADC，确保 Vout 保持在负载调节范围内。
6. 将 VIN 从 8V 变化到 14V，确保 VOUT 保持在线路调节范围内。
7. 将跳线放回 J6 以禁用控制器。
8. 将负载降低到 0A。
9. 将 VIN 降低到 0V。

测试点列表

了解各个测试点的功能对于我们进行测试和故障排查非常有帮助。以下是每个测试点的名称和描述：	测试点	名称	描述
TP1	VIN	12V 输入电压
TP2	GND	12V 输入接地
TP3	SW	开关节点
TP4	GND	接地
TP5	VOUT	输出电压
TP6	IMON	电流监测输出
TP7	GND	接地
TP8	GND	输出电压接地
TP9	CHB	环路注入的输入 B
TP10	GND	接地
TP11	1Vbias	1V 偏置电压
TP12	PG#	负电源良好信号，低电平有效
TP13	PGOOD	正电源良好信号，高电平有效
TP14	GND	接地
TP15	5Vbias	5V 偏置电压
TP16	3.3Vbias	3.3V 偏置电压
TP17	Enable	使能信号，高电平有效
TP18	SLP	睡眠模式
TP19	CHA	环路注入的输入 A

设备关机

测试完成后，按照以下步骤关机：

1. 关闭负载。
2. 关闭 VIN 电源。
3. 关闭风扇。

六、性能数据和典型特性曲线

文档中给出了 TPS51513EVM - 549 的一系列典型性能曲线，包括效率、负载调节、线路调节、电流监测电压、输出纹波、开关节点、输出瞬态、开启波形、关闭波形和波特图等。这些曲线能够帮助我们更直观地了解评估模块在不同条件下的性能表现。例如，从效率曲线中我们可以看到评估模块在不同负载电流下的效率变化情况，从而选择合适的工作点以提高系统效率。

七、EVM 组装图和 PCB 布局

文档展示了 TPS51513EVM - 549 印刷电路板的设计，该评估模块采用了六层电路板，外层为 2oz 铜。通过查看组装图和 PCB 布局，我们可以了解各个组件的位置和布线情况，这对于我们进行电路优化和故障排查具有重要意义。

八、物料清单

详细的物料清单列出了评估模块中使用的所有组件，包括电容、电阻、二极管、电感、MOSFET、IC 等，以及它们的型号、制造商和规格。这对于我们了解评估模块的硬件组成和进行物料采购非常有帮助。

九、总结

TPS51513EVM - 549 评估模块为我们提供了一个全面了解 TPS51513 同步降压控制器性能的平台。通过合理的测试设置、灵活的配置选项和详细的测试流程，我们可以准确评估该控制器在不同应用场景下的性能。同时，性能数据和典型特性曲线为我们优化系统设计提供了有力的依据。希望本文能够帮助电子工程师们更好地使用和理解 TPS51513EVM - 549 评估模块。你在使用类似评估模块的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。