探索 TPS53313 降压转换器评估模块：设计与测试全解析

在电子设计领域，降压转换器是电源管理中的关键组件。今天，我们将深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的 TPS53313 降压转换器评估模块（EVM），了解其特性、配置、测试过程以及性能表现。

文件下载：TPS53313EVM-078.pdf

模块概述

TPS53313EVM - 078 是一款基于 TPS53313 设计的降压调节器评估模块。TPS53313 采用电压模式控制，是一款完全集成的降压调节器。该模块旨在使用 12V 电压轨产生稳定的 1.2V 输出，最大负载电流可达 6A，适用于典型的负载点（POL）应用，同时提供多个测试点，方便评估 TPS53313 的性能。

典型应用与特性

• 典型应用：适用于 5V 或 12V 降压轨的 POL 应用。
• 特性亮点：
  • 连续 6A 输出电流能力。
  • 支持所有多层陶瓷电容（MLCC）输出电容。
  • 电压模式控制。
  • 可选轻载操作模式（强制连续导通模式 FCCM 和跳周期模式 Skip Mode）。
  • 可选开关频率设置（600kHz 和 1.00MHz）。
  • 支持外部时钟同步。
  • 可选过流阈值。
  • 禁用时软停止输出放电。
  • 具备过流、过压、欠压和过温保护。
  • 有电源良好指示。
  • 支持预偏置输出电压启动。
  • 提供方便的测试点，用于探测关键波形。

电气性能规格

该模块的电气性能规格涵盖输入特性、输出特性和系统特性等方面，具体如下：	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压范围	-	8.0	12	14	V
最大输入电流	VIN = 12V	-	-	0.8	A
无负载输入电流	VIN = 12V, IOUT = 0A, fSW = 600kHz（跳周期模式）	-	-	8.0	mA
输出电压	-	-	1.2	-	V
输出电压调节	设定点精度（VIN = 8.0V - 14V, IOUT = 0A - 6A）	-1%	0.1%	1%	-
	线性调节（VIN = 8.0V - 14V, IOUT = 6A）	-	-	0.2%	-
	负载调节（VIN = 12V, IOUT = 0A - 6A）	-	-	0.2%	-
输出电压纹波	VIN = 12V, IOUT = 6A	-	-	10	mVPP
输出负载电流	-	0	-	6.0	A
过流限制（峰值）	VIN = 12V	-	-	9	-
开关频率	-	600/1000	-	-	kHz
峰值效率	VIN = 12V, IOUT = 3.0A, fSW = 600kHz	-	85.5%	-	-
满载效率	VIN = 12V, IOUT = 6.0A, fSW = 600kHz	-	82.4%	-	-
工作温度	-	-	25	-	°C

测试设置

测试设备

• 电压源：输入电压源（VIN）应为 0V 至 15V 的可变直流源，能够提供 2A DC 电流。
• 万用表：包括测量 VIN 的电压表 V1、测量 VOUT 的电压表 V2 和测量 VIN 输入电流的电流表 A1。
• 输出负载：应为电子恒阻模式负载，能够在 1.2V 下提供 0A DC 至 6A DC 的负载。
• 示波器：可使用数字或模拟示波器测量输出纹波，设置为 1MΩ 阻抗、20MHz 带宽、交流耦合、1µs/div 水平分辨率和 20mV/div 垂直分辨率。
• 风扇：由于模块中部分组件在运行时可能接近 80°C，建议使用 200LFM 至 400LFM 的小风扇降低组件温度。
• 推荐线规：VIN 到 J2 的推荐线径为 1x AWG #16，总长度小于 4 英尺；J5 到负载的最小推荐线径为 1x AWG #16，总长度小于 4 英尺。

推荐测试设置

在静电放电（ESD）工作站工作时，确保在给 EVM 通电前，将任何腕带、鞋带或垫子连接到接地参考点。具体连接如下：

• 输入连接：连接直流输入源（VIN）前，建议将源电流限制在最大 2A，初始将 VIN 设置为 0V 并连接到 J2，同时在 VIN 和 J2 之间连接电流表 A1 测量输入电流，在 TP3（VIN）和 TP6（GND）连接电压表 V1 测量输入电压。
• 输出连接：将负载连接到 J5 并设置为恒阻模式，在 VIN 施加前将负载设置为吸收 0A DC，在 TP10（VOUT）和 TP8（GND）连接电压表 V2 测量输出电压。
• 其他连接：按图放置风扇并开启，确保空气流过 EVM。

配置选项

所有跳线选择应在给 EVM 通电前完成，用户可按以下配置进行设置：

模式和软启动时间选择

通过 J4 设置操作模式和软启动时间，默认设置为跳周期模式，6ms 软启动时间。不同电阻值对应不同的操作模式和软启动时间，具体如下表：	电阻值	操作模式	软启动时间
10.0 kΩ	FCCM	6 ms
20.0 kΩ	FCCM	3 ms
39.0 kΩ	FCCM	1 ms
82.0 kΩ	Skip	6 ms
160 kΩ	Skip	3 ms
开路	Skip	1 ms

过流保护（OCP）选择

通过 J6 设置 OCP 阈值，默认设置为 9A OCP。不同电容值对应不同的过流限制，如下表：	OCP 设置	电容值	过流限制
10 nF	-	9 A
2.2 nF	-	4.5 A
开路	-	6 A

使能选择

通过 J1 启用或禁用转换器，默认设置为短路以禁用转换器。

开关频率选择或外部时钟同步

通过 J3 设置开关频率，若使用外部时钟进行同步，应将外部时钟连接到 TP5（SYNC）和 TP7（GND）。默认设置为 600kHz，不同电阻值对应不同的开关频率，如下表：	开关频率设置	电阻值	开关频率
80.6 kΩ	-	600 kHz
45.3 kΩ	-	1.00 MHz

测试过程

线性/负载调节和效率测量

1. 按第 5 节和图 5 - 2 设置 EVM。
2. 确保负载设置为恒阻模式并吸收 0A DC。
3. 确保所有跳线按第 6 节设置。
4. 将 VIN 从 0V 增加到 12V，使用 V1 测量 VIN 电压。
5. 打开跳线 J1 启用控制器。
6. 使用 V2 测量 VOUT 电压，A1 测量 VIN 电流。
7. 将负载从 0A DC 变化到 6A DC，VOUT 应保持在负载调节范围内。
8. 将 VIN 从 8.0V 变化到 14V，VOUT 应保持在线性调节范围内。
9. 短路跳线 J1 禁用控制器。
10. 将负载减小到 0A。
11. 将 VIN 减小到 0V。

控制环路增益和相位测量

TPS53313EVM - 078 在反馈环路中包含一个 10Ω 串联电阻，用于环路响应分析。具体步骤如下：

1. 按第 5 节和图 5 - 2 设置 EVM。
2. 将隔离变压器连接到标记为 TP12 和 TP11 的测试点。
3. 将输入信号幅度测量探头（通道 A）连接到 TP12，输出信号幅度测量探头（通道 B）连接到 TP11。
4. 将通道 A 和通道 B 的接地引线连接到 TP13。
5. 通过隔离变压器注入约 10mV 或更小的信号。
6. 以 10Hz 或更低的后置滤波器将频率从 500Hz 扫描到 500kHz，测量控制环路增益和相位裕度。
7. 在进行其他测量之前，将隔离变压器从波特图测试点断开，因为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	EN	使能引脚
TP2	GND	接地
TP3	VIN	输入电压
TP4	PG	电源良好输出
TP5	SYNC	用于同步的外部时钟输入
TP6	GND	接地
TP7	GND	接地
TP8	GND	接地
TP9	SW	开关节点
TP10	VOUT	输出电压
TP11	CHB	环路注入输入 B
TP12	CHA	环路注入输入 A
TP13	GND	接地
TP14	GND	接地

设备关机

测试完成后，按以下顺序关机：

1. 关闭 VIN。
2. 关闭负载。
3. 关闭风扇。

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、线性调节、输出瞬态、输出纹波、开关节点、启动、关机、过流保护、同步、波特图和热成像等方面。这些曲线直观地展示了 TPS53313EVM - 078 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。

EVM 组装图和 PCB 布局

文档展示了 TPS53313EVM - 078 印刷电路板的设计，该 EVM 采用 4 层、2oz 铜电路板设计。通过组装图和 PCB 布局图，工程师可以了解模块的物理结构和布线情况，有助于进行进一步的设计和调试。

材料清单

文档列出了 EVM 的组件清单，包括电容、电阻、电感、连接器、测试点等组件的详细信息，如数量、参考编号、描述、零件编号和制造商等。这为工程师进行物料采购和模块组装提供了明确的指导。

总结

TPS53313EVM - 078 评估模块为工程师提供了一个全面的平台，用于评估 TPS53313 降压转换器的性能。通过详细的测试设置、配置选项和测试过程，工程师可以深入了解该模块在不同条件下的性能表现，为实际应用中的电源设计提供有力支持。在实际设计中，你是否会考虑使用 TPS53313 降压转换器？它的哪些特性最吸引你呢？欢迎在评论区分享你的想法。