TPS54010EVM - 067 评估模块：设计与测试全解析

在电子工程师的日常工作中，一款性能出色的评估模块往往能为设计和测试带来极大的便利。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）的 TPS54010EVM - 067 14 - Amp SWIFT M 调节器评估模块。

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一、模块背景与性能概述

1.1 背景

TPS54010 是一款直流 - 直流（dc/dc）转换器，旨在从 2.2 V 至 4 V 的输入电压源提供高达 14 A 的输出电流。这款评估模块展示了使用 TPS54010 调节器设计时可实现的小 PCB 面积，但并不代表使用该器件设计时能达到的最高效率。其开关频率标称设置为 700 kHz，允许使用小尺寸的 0.68 - µH 输出电感器。此外，高、低端 MOSFET 与栅极驱动电路集成在 TPS54010 封装内，低的漏源导通电阻使 TPS54010 能实现高效率，并有助于在高输出电流时保持较低的结温。补偿组件位于 IC 外部，可实现可调输出电压和可定制的环路响应。同时，TPS54010 具备可编程欠压锁定、同步、可调开关频率、使能和电源良好等功能。

1.2 性能规格总结

在输入电压 PVIN = VIN = 3.3 V、输出电压为 1.5 V 的条件下（除非另有说明），TPS54010EVM - 067 的性能规格如下：	规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
PVIN 电压范围		2.2	3.3	4.0	V
VIN 电压范围		3	3.3	4.0	V
输出电压设定点			1.5		V
输出电流范围	PVIN = 2.2 V 至 3.5 V，VIN = 3 V 至 4 V	0		14	A
线性调节率	(I_{O}=0 - 14 A)，PVIN = 2.2 V 至 4 V，VIN = 3.3 V	±0.2%
负载调节率	(VIN = PVIN = 3.3 V)，(I_{O}=0) 至 3 A	±0.2%
负载瞬态响应	电压变化			- 50	mVPK
	恢复时间（(I{O}=3.5 A) 至 10.5 A，(I{O}=10.5 A) 至 3.5 A）		80		µs
	电压变化	+ 50		mVPK
	恢复时间	80		µs
环路带宽	PVIN = 2.2 V，VIN = 3.3 V		57		kHz
相位裕度	PVIN = 2.2 V，VIN = 3.3 V		54		°
环路带宽	PVIN = 3.5 V，VIN = 3.3 V		73		kHz
相位裕度	PVIN = 3.5 V，VIN = 3.3 V		45		°
输入纹波电压			250	300
输出纹波电压			5	10	mVPP
输出上升时间			N/A		ms
工作频率		500			kHz
最大效率	VIN = 3.3 V，VOUT = 1.5 V，(I_{O}=2 A)，PVIN = 2.2 V		94%

二、模块修改与定制

2.1 输出电压设定点

要改变 EVM 的输出电压，需要改变电阻 R2 的值。R2 的值可以在 0.9 V 至 2.5 V 的范围内改变输出电压，特定输出电压下 R2 的值可通过公式 (R{2}=10 k Omega × frac{0.891 V}{V{O}-0.891 V}) 计算。部分常见输出电压对应的 R2 值如下：	输出电压（V）	R2 值（Ω）
1.2	28.5 k
1.5	14.7 k
1.8	9.76 k
2.5	5.49 k

需要注意的是，要生成 2.5 V 的输出，PVIN 必须大于 3 V。此外，最小输出电压受器件最小可控导通时间（200 ns）限制，可通过公式 (V{OUTMIN }=200 nsec × f{S} × V_{INMAX }) 近似计算。

2.2 开关频率

EVM 的开关频率通过将 R4 设置为 71.5 kΩ 设定为 700 kHz。通过改变 R4 的值，可将开关频率调整到 250 kHz 至 700 kHz 之间，计算公式为 (f{SW}=frac{100 k Omega}{R{4}} × 500(kHz))。此外，也可通过移除 R4 并在 J4 引脚 3 上使用跳线来选择 350 - kHz 或 550 - kHz 的内部编程频率。需要注意的是，降低开关频率会增加输出纹波，除非增加 L1 的值。

2.3 其他修改

• 输入滤波器：板载电解输入电容 C1 可根据应用情况移除。
• 分离输入电压轨：TPS54010 有两个输入电压轨 PVIN 和 VIN。正常情况下，可按规格在 J1 和 J2 连接器施加电压。也可通过在 J1 连接器施加 3 - V 至 3.5 - V 的电压并在 JP1 上安装跳线，使 EVM 从单个电源工作。
• 同步：TPS54010EVM - 067 可同步到外部时钟频率，同步频率范围为 330 kHz 至 700 kHz。通过连接到 J4 的引脚 2 驱动同步信号到 SYNC 引脚，并使用 R4 将自由运行频率设置为同步信号的 80%。
• 延长软启动时间：可通过改变 C5 的值来延长软启动时间（TSS），计算公式为 (C 5(mu F)=T_{S S}(m s) × frac{5 mu A}{1.2 V})。
• 输出滤波器：预留了添加额外输出滤波电容（C12）的位置，焊盘尺寸适合 1210 组件。

三、测试设置与结果

3.1 输入/输出连接

TPS54010EVM - 067 配备了输入/输出连接器和测试点。通过一对 14 AWG 电线将能够提供 12 A 的电源连接到 J1，通过一对 22 AWG 电线将能够提供 25 mA 的电源连接到 J2，通过一对 14 AWG 电线将负载连接到 J3，最大负载电流能力为 14 A。同时，要尽量减少电线长度以降低电线中的损耗。测试点 TP1 和 TP2 可用于监测 PVIN 和 VIN 输入电压，TP7 用于监测输出电压，TP8 作为接地参考。

3.2 效率

TPS54010EVM - 067 的效率在负载电流约为 2 A 时达到峰值，然后随着负载电流接近满载而降低。在较高环境温度下，由于 MOSFET 漏源电阻的温度变化，效率会降低。此外，由于 MOSFET 的栅极和开关损耗，700 kHz 时的效率略低于较低开关频率时的效率。

3.3 输出电压调节

输出电压的负载调节和线性调节情况可通过相应的图表查看。在环境温度为 25°C 时进行测量，结果展示了该模块在不同负载和输入电压条件下的电压调节能力。

3.4 负载瞬态响应

TPS54010EVM - 067 对负载瞬态的响应表现为电流从最大额定负载的 25% 到 75% 变化时，输出电压的总峰 - 峰电压变化，包括纹波和噪声。

3.5 环路特性

通过增益和相位图展示了在 PVIN 电压为 2.2 V 和 3.5 V 时的环路响应特性，帮助工程师了解模块在不同输入电压下的环路性能。

3.6 输出电压纹波和输入电压纹波

分别展示了在特定输入电压和额定满载电流（14 A）下的输出电压纹波和输入电压纹波情况，为工程师评估模块的纹波特性提供了依据。

3.7 上电和下电

通过波形图展示了模块的上电过程，包括输入电压达到内部设定的 UVLO 阈值电压后开始软启动序列，输出电压逐渐上升到最终值的过程。同时，还展示了输出电压相对于 SS/ENA 的上电情况。

四、电路板布局

TPS54010EVM - 067 的电路板布局采用典型的用户应用方式。顶层包含 Vin、Vout 和 Vphase 的主要电源走线，以及 TPS54010 其余引脚的连接和大面积的接地区域。底层包含接地和 Vout 铜区域以及一些信号布线。两个内部层为专用接地层，顶层、底层和内部接地走线通过多个过孔连接，其中 10 个过孔直接位于 TPS54010 器件下方，为 PowerPAD 焊盘提供了到地的热路径。输入去耦电容、偏置去耦电容和自举电容都尽可能靠近 IC 放置，补偿组件也靠近 IC，补偿电路在调节点与输出电压相连，靠近高频旁路输出电容。

五、原理图和物料清单

5.1 原理图

提供了 TPS54010EVM - 067 的详细原理图，帮助工程师了解模块的电路结构和信号流向。

5.2 物料清单

列出了模块所需的所有组件，包括电容、电阻、电感、连接器、IC 等，为工程师进行物料采购和组装提供了依据。

综上所述，TPS54010EVM - 067 评估模块为电子工程师提供了一个全面的平台，用于测试和评估 TPS54010 调节器的性能。通过对模块的修改和定制，工程师可以根据具体应用需求进行优化。同时，详细的测试结果和电路板布局信息也为设计和调试提供了有力的支持。大家在使用这款评估模块时，是否也遇到过一些有趣的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。