深入解析 TPS53219 降压控制器评估模块

在电子设计领域，降压控制器是电源管理中不可或缺的一部分。今天我们要详细探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的 TPS53219 降压控制器评估模块（TPS53219EVM - 690），它为工程师们提供了一个全面评估 TPS53219 性能的平台。

文件下载：TPS53219EVM-690.pdf

一、模块概述

TPS53219EVM - 690 评估模块采用了 TPS53219 芯片，这是一款小尺寸、单通道降压控制器，具备自适应导通时间 D - CAP™ 模式控制。该模块能够在 12V 输入总线的情况下，提供高达 25A 的 1.1V 固定输出。同时，它还采用了 5mm × 6mm 的 TI 功率块 MOSFET（CSD86350Q5D），具有高功率密度和出色的热性能。

典型应用

此模块适用于多种应用场景，如负载点系统、存储计算机、服务器计算机、多功能打印机以及嵌入式计算等。

模块特性

• 高输出电流：能够提供 25A 的直流稳态输出电流。
• 预偏置启动支持：支持预偏置输出电压启动。
• 高效与高功率密度：通过使用 TI 功率块 MOSFET 实现了高效率和高功率密度。
• 可配置性：
  • J1 用于选择开关频率设置。
  • J2 用于选择内部电压伺服软启动。
  • J3 用于使能功能。
  • J6 用于自动跳过和强制 CCM 模式选择。
• 方便测试：提供了方便的测试点，用于探测关键波形。

二、电气性能规格

了解模块的电气性能规格对于正确使用和评估该模块至关重要。以下是 TPS53219EVM - 690 的主要电气性能参数：	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} = 25A)			4	A
无负载输入电流	(V{IN} = 14V)，(I{O} = 0A)（自动跳过模式）			1	mA
输出特性
输出电压 (V_{OUT})			1.1		V
输出电压调节	线路调节（(V_{IN} = 8V) 至 14V）			0.5	%
	负载调节（(V{IN} = 12V)，(I{O} = 0A) 至 25A）			0.5	%
输出电压纹波	(V{IN} = 12V)，(I{O} = 25A)			25	mVpp
输出负载电流		0		25	A
输出过电流				35	A
系统特性
开关频率			300		kHz
峰值效率	(V_{IN} = 12V)，1.1V/10A		90.90		%
满载效率	(V_{IN} = 12V)，1.1V/25A		88.59		%
工作温度			25		°C

三、测试设置

测试设备

• 电压源：输入电压源 (V{IN}) 必须是 0V 至 14V 的可变直流源，能够提供 10A 的直流电流。将 (V{IN}) 连接到 J4。
• 万用表：
  • V1 用于测量 (V_{IN})（在 TP7 和 TP8 之间）。
  • V2 用于测量 (V_{OUT})（在 TP14 和 TP15 之间）。
  • A1 用于测量 (V_{IN}) 的输入电流。
• 输出负载：输出负载必须是能够在 1.1V 下提供 0A 至 30A 直流电流的电子恒阻模式负载。
• 示波器：可使用数字或模拟示波器测量输出纹波。示波器需设置为 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：由于模块中的一些组件在运行时可能会达到 60°C 的温度，建议使用一个能够提供 200 - 400LFM 风量的小风扇来降低组件温度。

推荐测试设置

在 ESD 工作站上进行测试，确保在给 EVM 供电之前，将任何腕带、靴带或垫子连接到接地参考点。

• 输入连接：
  • 在连接直流输入源 (V{IN}) 之前，建议将源电流限制在最大 10A。确保 (V{IN}) 初始设置为 0V，并按照图 4 - 2 进行连接。
  • 在 TP7 和 TP8 之间连接电压表 V1 以测量输入电压。
  • 连接电流表 A1 以测量输入电流。
• 输出连接：
  • 将负载连接到 J5，并在施加 (V_{IN}) 之前将负载设置为恒阻模式以吸收 0A 电流。
  • 在 TP14 和 TP15 之间连接电压表 V2 以测量输出电压。
• 其他连接：按照图 4 - 2 放置风扇并打开，确保空气流过 EVM。

四、配置选项

所有跳线选择必须在给 EVM 供电之前完成。用户可以根据以下配置对 EVM 进行设置：

开关频率选择

通过 J1 可以设置开关频率，默认设置为 300kHz。不同的跳线设置对应不同的电阻连接和开关频率，具体如下：	跳线设置	电阻连接（Ω）	开关频率（kHz）
顶部（1 - 2 引脚短路）	0	250
第二档（3 - 4 引脚短路）	187k	300
第三档（5 - 6 引脚短路）	619k	400
第四档（7 - 8 引脚短路）	开路	500
第五档（9 - 10 引脚短路）	866k	650
第六档（11 - 12 引脚短路）	309k	750
第七档（13 - 14 引脚短路）	124k	850
底部（15 - 16 引脚短路）	0	1000

软启动选择

通过 J2 可以设置软启动时间，默认设置为 0.7ms。不同的跳线设置对应不同的电阻连接和软启动时间，如下表所示：	跳线设置	电阻连接（Ω）	软启动时间（ms）
顶部（1 - 2 引脚短路）	39.2k	0.7
第二档（3 - 4 引脚短路）	100k	1.4
第三档（5 - 6 引脚短路）	200k	2.8
底部（7 - 8 引脚短路）	475k	5.6

模式选择

通过 J6 可以设置模式，默认设置为自动跳过模式。具体设置如下：	跳线设置	模式选择
顶部（1 - 2 引脚短路）	自动跳过
底部（3 - 4 引脚短路）	强制 CCM

使能选择

通过 J3 可以启用或禁用控制器，默认设置为 J3 上的跳线短路以禁用控制器。具体设置如下：	跳线设置	使能选择
J3 上的跳线短路	禁用控制器
J3 上无跳线短路	启用控制器

五、测试程序

线路/负载调节和效率测量程序

1. 按照第 4 节和图 4 - 2 所述设置 EVM。
2. 确保负载设置为恒阻模式并吸收 0A 电流。
3. 确保所有跳线配置设置符合第 5 节的要求。
4. 在施加 (V_{IN}) 之前，确保 EVM 中提供的跳线在 J3 上短路。
5. 将 (V_{IN}) 从 0V 增加到 12V，使用 V1 测量输入电压。
6. 移除 J3 上的跳线以启用控制器。
7. 使用 V2 测量 (V_{OUT}) 电压。
8. 将负载从 0A 变化到 25A，(V_{OUT}) 必须保持在负载调节范围内。
9. 将 (V{IN}) 从 8V 变化到 14V，(V{OUT}) 必须保持在线路调节范围内。
10. 将跳线放回 J3 以禁用控制器。
11. 将负载减小到 0A。
12. 将 (V_{IN}) 减小到 0V。

控制回路增益和相位测量程序

TPS53219EVM - 690 在反馈回路中包含一个 10Ω 的串联电阻，用于回路响应分析。

1. 按照第 4 节和图 4 - 2 所述设置 EVM。
2. 将隔离变压器连接到标记为 TP9 和 TP10 的测试点。
3. 将输入信号幅度测量探头（通道 A）连接到 TP9，将输出信号幅度测量探头（通道 B）连接到 TP10。
4. 将通道 A 和通道 B 的接地引线连接到 TP11。
5. 通过隔离变压器注入约 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，可以测量控制回路增益和相位裕度。
7. 在进行其他测量之前，从波特图测试点断开隔离变压器（反馈中的信号注入可能会干扰其他测量的准确性）。

测试点列表

测试点	名称	描述
TP1	VREG	6.2V LDO 输出
TP2	PGOOD	电源良好
TP3	EN	使能引脚
TP4	DRVH	高端驱动器输出
TP5	DRVL	低端驱动器输出
TP6	MODE	软启动和自动跳过/FCCM 选择引脚
TP7	(V_{IN})	(V_{IN})
TP8	GND	(V_{IN}) 的接地
TP9	CHA	回路注入的输入 A
TP10	CHB	回路注入的输入 B
TP11	GND	接地
TP12	GND	接地
TP13	VDD	控制器电源输入
TP14	(V_{OUT})	输出电压
TP15	GND	输出电压的接地

设备关机

1. 关闭负载。
2. 关闭 (V_{IN})。
3. 关闭风扇。

六、性能数据和典型特性曲线

文档中提供了一系列典型性能曲线，包括效率、负载调节、输出瞬态、输出纹波、开关节点、使能开启/关闭、1.1V 预偏置开启、波特图和热图像等。这些曲线直观地展示了 TPS53219EVM - 690 在不同条件下的性能表现。

七、EVM 组装图和 PCB 布局

TPS53219EVM - 690 的印刷电路板采用六层 2oz 铜电路板设计。文档中的图 8 - 1 至图 8 - 8 展示了该电路板的设计，包括顶层组装图、底层组装图以及各层铜层的布局。

八、物料清单

文档提供了 EVM 的物料清单，详细列出了各个组件的数量、参考编号、描述和制造商部件编号。这对于工程师进行模块的组装和维护非常有帮助。

通过对 TPS53219 降压控制器评估模块的详细介绍，我们可以看到它在电源管理方面的强大性能和灵活性。工程师们可以根据实际需求对模块进行配置和测试，以满足不同应用场景的要求。你在使用类似评估模块时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。