TPS40400 Buck控制器评估模块使用指南

一、引言

在电子设计领域，电源管理是至关重要的一环。TPS40400EVM - 351评估模块采用了TPS40400同步降压控制器，该控制器可在3.0 - 20V的标称电源下工作，是一款支持通过PMBus接口进行编程和监控的模拟PWM控制器。这为工程师们在设计低电压应用时提供了极大的便利。

文件下载：TPS40400EVM-351.pdf

二、模块描述

2.1 典型应用

TPS40400EVM - 351在多个领域都有典型应用，如智能电源系统、电源模块、通信设备和计算设备等。这些应用场景都对电源的稳定性和可调节性有较高要求，而该评估模块正好能满足这些需求。

2.2 特性

• 输出调节：能提供稳定的1.2V输出，且可通过PMBus接口进行裕度调节和微调。
• 输出电流：具备20A的直流稳态输出电流能力。
• 可编程功能：支持通过PMBus接口进行软启动、使能功能、过流警告和故障限制以及过压警告和故障限制等设置，同时还能设置高、低输出裕度电压，最大范围为标称输出电压的±25%。
• 测试便利性：设有方便的测试点，便于探测关键波形。

三、电气性能规格

参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入特性
电压范围 (V_{IN})		8	12	14	V
最大输入电流	(V{IN}) = 8V，(I{O}) = 20A			3.5	A
无负载输入电流	(V{IN}) = 14V，(I{O}) = 0A（自动跳过模式）			50	mA
输出特性
输出电压 (V_{OUT})			1.2		V
输出电压调节 - 线性调节	(V_{IN}) = 8V - 14V			0.5%
输出电压调节 - 负载调节	(V{IN}) = 12V，(I{o}) = 0A - 20A			0.5%
输出电压纹波	(V{IN}) = 12V，(I{O}) = 20A			30	mVpp
输出负载电流		0		20	A
输出过电流				25
系统特性
开关频率			608		kHz
峰值效率	(V{IN}) = 12V，1.2V / 12A，(F{SW}) = 300kHz		89.6%
满载效率	(V_{IN}) = 12V，1.2V / 20A		88.2%
工作温度			25		°C

四、原理图

文档中给出了TPS40400EVM - 351的电路原理图（Figure 4 - 1），这为工程师深入了解模块的电路结构和工作原理提供了重要依据。通过分析原理图，我们可以清晰地看到各个元件之间的连接关系和信号流向，从而更好地进行设计和调试。

五、测试设置

5.1 测试和配置软件

要更改评估模块的默认配置参数，需要使用TI Fusion Digital Power Designer软件。该软件是一个图形用户界面（GUI），可通过PMBus协议与控制器进行通信。它具有以下功能：

• 可通过硬件控制线或PMBus操作命令开启或关闭电源输出。
• 实时监控输入电压、输出电压、输出电流以及警告/故障等数据。
• 配置常见的操作特性，如输出电压、警告和故障阈值以及开关频率等。 该软件可从http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/fusion_digital_power_designer.html下载。

5.2 测试设备

• 电压源：输入电压源 (V_{IN}) 应是0 - 14V的可变直流源，能够提供10A的电流。
• 万用表：需要4个万用表，分别用于测量输入电压、输入电流、输出电压和输出电流。
• 输出负载：输出负载应为电子恒阻模式负载，能够在1.2V下提供0 - 25A的电流，电子恒流负载也可接受。
• 示波器：用于测量输出纹波，应设置为1MΩ阻抗、20MHz带宽、交流耦合、2µs/格水平分辨率和50mV/格垂直分辨率。
• 风扇：由于模块中的一些元件在工作时温度可能超过60°C，建议使用200 - 400LFM的小风扇来降低元件温度。
• 推荐线规：输入线（(V_{IN}) 到J1）最小推荐线径为1x AWG #14，总长度小于4英尺；输出线（J3和J4到负载）最小推荐线径为2x AWG #14，总长度小于4英尺。

5.3 推荐测试设置

文档给出了推荐的测试设置图（Figure 5 - 2），在测试评估模块时，建议在静电安全工作台上进行操作。

5.4 USB接口适配器和电缆

在连接USB接口适配器和电缆时，需要注意正确的连接和极性。同时，在连接直流输入源 (V{IN}) 时，建议将源电流限制在最大10A，并确保 (V{IN}) 初始设置为0V。此外，还需要注意跳线的连接和配置，不同的跳线配置会影响远程感测的位置和输出电压的调节效果。

六、使用Fusion GUI进行EVM配置

要配置评估模块上的TPS40400控制器，需要使用TI Fusion Digital Power Designer软件。在启动软件之前，需要向评估模块施加输入电压，以便TPS40400能够响应GUI并被GUI识别。为避免在初始配置期间转换器活动，应施加小于7V的输入电压。

6.1 配置步骤

1. 将输入电源调整为提供5V（5 (V_{DC})），电流限制为1A。
2. 将输入电压施加到评估模块。
3. 启动Fusion GUI软件。
4. 根据需要配置评估模块的操作参数。

6.2 Fusion GUI截图

文档中给出了Fusion GUI的多个截图，包括启动界面、设备识别界面、配置界面和监控界面等，这些截图有助于工程师更好地了解软件的操作和功能。

七、测试程序

7.1 线/负载调节和效率测量程序

1. 按照第5.3节和Figure 5 - 2的描述设置评估模块。
2. 确保负载设置为0A。
3. 确保所有跳线配置设置符合第5.4.4节的要求。
4. 将 (V_{IN}) 从0V增加到12V，使用DMM 1测量输入电压。
5. 使用DMM 3测量输出电压 (V_{OUT})。
6. 将负载从0A变化到20A，(V_{OUT}) 应保持在负载调节范围内。
7. 将 (V{IN}) 从8V变化到14V，(V{OUT}) 应保持在线性调节范围内。
8. 将负载减小到0A。
9. 将 (V_{IN}) 减小到0V。

7.2 控制环路增益和相位测量程序

TPS40400EVM - 351在反馈环路中包含一个49.9Ω的串联电阻，用于环路响应分析。具体步骤如下：

1. 按照第5.3节和Figure 5 - 2的描述设置评估模块。
2. 将隔离变压器连接到标记为TP13和TP15的测试点。
3. 将输入信号幅度测量探头（通道A）连接到TP13，将输出信号幅度测量探头（通道B）连接到TP15。
4. 将通道A和通道B的接地引线连接到TP14和TP16。
5. 通过隔离变压器注入40mV或更小的信号。
6. 以10Hz或更低的后置滤波器将频率从100Hz扫描到1MHz，测量控制环路增益和相位裕度。
7. 在进行其他测量之前，从波特图测试点断开隔离变压器，以免信号注入反馈影响其他测量的准确性。

7.3 测试点列表

测试点	名称	描述
TP1	(V_{IN})	输入电压
TP2	COMP	误差放大器的输出
TP3	GND	接地
TP4	PGOOD	电源良好
TP5	(V_{OUT})	输出电压
TP6	SENSE +	正远程感测
TP7	HDRV	高端驱动器输出
TP8	SYNC	输入，用于将振荡器同步到外部频率
TP9	TRACK	误差放大器同相输入端
TP10	SW	开关节点
TP11	LDRV	低端驱动器输出
TP12	PGND	电源接地
TP13	CHA	环路注入输入A
TP14	SGND	信号接地
TP15	CHB	环路注入输入B
TP16	SGND	信号接地
TP17	GND	接地
TP18	SENSE -	负远程感测

7.4 设备关机

1. 将负载电流减小到零安培。
2. 将输入电压减小到零伏特。
3. 关闭风扇。

八、性能数据和典型特性曲线

文档中给出了TPS40400EVM - 351的典型性能曲线，包括效率、负载调节、负载瞬态、输入和输出纹波、开关节点和HDRV、(V_{IN}) 开启、使能ON/OFF、带92%（1.1V）预偏置开启以及波特图等。这些曲线直观地展示了模块在不同条件下的性能表现，为工程师评估和优化设计提供了重要参考。

九、EVM装配图和PCB布局

文档展示了TPS40400EVM - 351印刷电路板的设计，包括顶层装配图、顶层铜层图、底层铜层图和顶层丝印图。该评估模块采用2层、2盎司铜的电路板设计。

十、材料清单

文档列出了评估模块的组件清单，包括电容器、二极管、连接器、电感器、MOSFET、电阻器和控制器等元件的数量、参考编号、描述、零件编号和制造商等信息。这为工程师进行元件选型和采购提供了详细的依据。

十一、修订历史

文档记录了从2011年9月的版本到2022年1月的版本的修订内容，主要包括更新表格、图形和交叉引用的编号格式以及更新用户指南的标题等。

总之，TPS40400EVM - 351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TPS40400控制器的电源应用。通过详细的测试设置、配置方法和性能数据，工程师可以更好地了解和使用该模块，从而设计出更高效、稳定的电源系统。你在实际使用过程中遇到过哪些与电源模块相关的问题呢？欢迎在评论区分享交流。