TPS54120降压转换器评估模块使用指南

在电子设计领域，一款性能出色的降压转换器对于电路设计至关重要。德州仪器（Texas Instruments）的TPS54120降压转换器评估模块（PWR103）为工程师们提供了一个绝佳的评估平台，下面就为大家详细介绍这款评估模块。

文件下载：TPS54120EVM-103.pdf

模块背景

TPS54120 EVM（PWR103）旨在帮助设计工程师评估TPS54120（开关器 + LDO）在自身电路应用中的运行和性能。该评估模块采用3.5mm × 5.5mm的QFN热增强型PowerPad™封装，包含了实现低噪声1A解决方案所需的所有外部组件，具备内部热关断和限流保护以及使能电路。

IC的电源输入（PVIN）额定电压为1.6V至17V，控制输入（VIN）额定电压为4.5V至17V。此评估模块设计和测试时将PVIN连接到VIN，最小输入电压为7V。其额定输入电压和输出电流范围如下表所示：	EVM	INPUT VOLTAGE	SW OUTPUT VOLTAGE	LDO OUTPUT VOLTAGE	OUTPUT CURRENT
TPS54120	7 V – 17 V	4.1 V	3.3 V	0 A – 1 A

集成的开关器（SW）和LDO经过优化，可使TPS54120实现高效率和低输出噪声。补偿组件位于集成电路（IC）外部，外部分压器允许LDO输出电压在0.8V至6V之间可调。此外，TPS54120还提供可调节的软启动、跟踪和使能输入功能，能够为负载提供高达1A的低噪声电源。

模块设置

输入输出连接及跳线说明

• J1 - LDO OUT和J2 - GND：LDO的输出和接地连接器，默认输出电压为3.3V，这是TPS54120的低噪声输出。
• J3 - VIN和J4 - GND：输入电源电压和接地连接器。输入电源的正极和接地端应尽量扭绞并保持短距离，以减少EMI传输。若电源引线超过6英寸，需在J3和J4之间添加额外的大容量电容，例如47µF的电解电容，可改善TPS54120的瞬态响应并消除长导线连接导致的输入端不必要的振铃。
• J5：LDO输出电压的SMA连接器，在TPS54120EVM（PWR103）上未安装该连接器，此焊盘可用于安装SMA风格的连接器，以进行更精确的PSRR测量。
• J7 - SW OUT和J6 - GND：开关器的输出和接地连接器，开关器转换器的输出电压和LDO的输入电压，默认设置为4.1V。
• J8：SW输出电压的SMA连接器，同样在TPS54120EVM（PWR103）上未安装，用于安装SMA风格的连接器以进行更精确的PSRR测量。
• JP1 - LDOEN：LDO使能跳线。将跳线从中心引脚连接到“on”引脚可启用LDO输出，连接到“off”引脚则禁用LDO输出。
• JP2：开关器转换器输出与LDO输入之间的跳线连接，正常运行时需要短路跳线。若要断开LDO与SW的连接，移除短路跳线即可。
• JP3 - SW EN：开关器转换器使能跳线。不连接跳线可启用开关器输出，安装短路跳线则禁用开关器输出。
• TP1 - PWRGD：电源良好连接器测试点，是开关器转换器的电源良好开集电极标志，通过10k电阻连接到低于5.5V的稳压电源，可监测开关器转换器输出的状态。
• TP2 - SENSE：SW感测（反馈）引脚测试点。
• TP3 - SW OUT：开关器正输出测试点，除J7外，也可用于测量开关器的输出电压。
• TP4 - LDO IN：LDO输入电压测试点。
• TP5 - LDO OUT：LDO输出测试点，除J1外，也可用于测量LDO的输出电压。

模块修改

SW输出电压设定点

开关器的输出电压由R5和R6组成的电阻分压器网络设定，R6固定为10kΩ。若要改变评估模块的开关器输出电压，需改变电阻R5的值，可使用公式[R 5=10 k Omegaleft(S W V_{OUT }-0.8 Vright) /(0.8 V)]计算。同时，为获得最佳PSR和噪声性能，SW输出应比LDO输出高0.8V。常见SW输出电压对应的R5值如下表所示：	SW OUTPUT VOLTAGE (V)	R5 VALUE (kΩ)
1.8	12.4
2.5	21.5
3.3	31.6
4.1	41.2
5	52.3
6	64.9

LDO输出电压设定点

LDO的输出电压可由外部电阻分压器网络（R1和R2）设定，R2固定为10kΩ。要改变评估模块的LDO输出电压，需改变电阻R1的值，LDO输出电压可在0.8V至6V之间调节，计算公式为[R 1=10 k Omegaleft(LDO V_{OUT }-0.8 Vright) /(0.8 V)]。为获得最佳PSR和噪声性能，LDO输出应比SW输出低0.8V。常见LDO输出电压对应的R1值如下表所示：	LDO OUTPUT VOLTAGE (V)	R1 VALUE (kΩ)
0.8	0 (Short)
1	2.49
1.2	4.99
1.5	8.87
1.8	12.5
2.5	21
3.3	30.9
5	52.3

开关器软启动时间

软启动时间可通过改变C7的值进行调整，计算公式为[C 7(nF)=T{S S}(m s) I{S S}(mu A) / V{R E F}(V)]，其中设备内部有一个2.3µA的上拉电流源为外部软启动电容C7充电，电压参考(V{REF})为0.8V。

LDO启动

LDO的启动时间可通过改变C13的值进行调整，此外，NR引脚上的电容还可用于降噪，但降噪效果在电容值达到0.01µF时接近饱和。

设备互连

在确认输入电源的输出电压设置为所需电压（小于17V）且电流限制设置为约500mA后，关闭输入电源。将输入电源的正电压线连接到J3（VIN），接地线连接到J4（GND）。使用J1和J2在LDO OUT和GND之间连接一个0 - 1A的负载。通过在JP1上连接短路跳线，将“off”引脚连接到中心引脚（LDO EN）来禁用LDO输出。

模块操作

打开输入电源，验证开关器输出电压接近4.1V，LDO输出接近0V。通过将JP1上的跳线从“on”引脚连接到中心引脚（LDO EN）来启用LDO输出，验证LDO输出电压为3.3V。根据测试需要，可改变负载电流和(V_{IN})电压。

测试结果

输出电压纹波

在(V{IN}= 12V)、(SW OUT =4.1V)、(LDO OUT =3.3V)、(I{OUT}=400mA)、(F_{switching}=480kHz)的条件下，可观察到LDO和开关器转换器的输出电压纹波。

输出噪声

在相同条件下，可得到TPS54120EVM的输出电压噪声频谱。

输出开启

展示了开关器和LDO在不同使能情况下的输出电压开启情况，包括SW使能时开关器输出电压开启、LDO使能时LDO输出电压开启以及SW使能时LDO输出电压开启。

负载瞬态

TPS54120对负载瞬态的响应，电流阶跃从最大额定负载的30%到75%，输入电压为12V，展示了开关器和LDO输出的总峰 - 峰电压变化，包括纹波和噪声。

效率

在环境温度为25°C，(V_{IN})分别为8V、10V、12V和15V的条件下，开关器输出电压设置为4.1V，LDO设置为3.3V时的效率情况。

热特性

展示了TPS54120在12V输入、1A负载、3.3V LDO输出和4.1V开关器输出的情况下的热图像，无气流，环境温度为25°C，IC的峰值温度（56.4°C）远低于数据手册中列出的最大推荐工作温度150°C。

电路板布局

TPS54120评估板采用四层布局，旨在尽可能屏蔽LDO的模拟地免受开关器噪声的影响。关键模拟电路如电压设定点分压器、频率设定电阻、软启动电容和补偿组件通过独立的过孔接地，与电源接地层分离。

• 顶层：包含LDO的模拟地和SW侧输出电源地的一部分，布局方式与用户应用典型布局相似。
• 第一层内部层：连接到PowerPad和IC的模拟地，主要用于功率耗散，仅实现了少量走线，如LDO使能和PWRGD测试点走线。
• 第二层内部层：主要用作模拟地，为屏蔽LDO地免受开关节点噪声影响，在该层中心制作了一个小的隔离电源接地平面，以减少与模拟地的电容耦合，还包含连接输入电容和连接器J3的开关器输入电压走线。
• 底层：约四分之一的面积包含主输入电源接地走线，开关器的电感器（L1）和输出电容器（C9、C10）位于该层中心，其余表面区域通过过孔连接到顶层和内部层的模拟地，部分过孔位于TPS54120器件下方，为从顶层接地平面到内部和底层接地平面提供热路径。

原理图与物料清单

提供了TPS54120评估板的原理图，同时列出了详细的物料清单，包括各个组件的数量、参考编号、值、描述、尺寸、零件编号和制造商等信息。

德州仪器的TPS54120降压转换器评估模块为工程师们提供了一个全面的评估平台，通过合理的设置、操作和测试，能够充分了解TPS54120的性能特点，为实际电路设计提供有力的参考。大家在使用过程中有没有遇到什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。