德州仪器TPS54122EVM-201评估模块：低噪声3A电源的设计与测试

在电源设计领域，低噪声、高功率的电源模块一直是工程师们追求的目标。德州仪器（Texas Instruments）的TPS54122EVM - 201评估模块，为工程师们提供了一个理想的参考设计，用于评估TPS54122这款低噪声3A电源的性能。

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背景

TPS54122EVM（PWR201）旨在帮助设计工程师评估TPS54122（开关器 + LDO）在自身电路应用中的可行性。该评估模块采用3.5mm x 5.5mm热增强型QFN封装，内置PowerPad™，包含了低噪声3A电源解决方案所需的所有外部组件。开关器和LDO都具备独立的保护和控制功能，如软启动、内部电流限制、热关断、电源良好信号和使能电路。

TPS54122能够为负载提供高达3A的低噪声电源，当开关器为LDO供电时，其输入电源（VIN）范围为2.95V至5.5V。评估模块的额定输入电压和输出电流范围如下：	配置	输入电压	偏置电压	SW输出电压	LDO输出电压	输出电流
开关器独立	2.95 V to 6 V	NA	0.8 V to 4.5 V	NA	0 to 3A
LDO独立	V (OUT) + V DO(LDOIN) to 5.5 V	V (OUT) + 1.65V to 5.5 V	NA	0.8 V to 3.6 V	0 to 3A
开关器为LDO供电	2.95 V to 5.5 V	V (OUT) + 1.65V to 5.5 V	V (OUT) + V DO(LDOIN) to 4.5 V	0.8 V to 3.6 V	0 to 3A

与独立的开关器和LDO拓扑相比，该评估模块展示了使用TPS54122进行设计时在印刷电路板空间节省方面的优势。集成的开关器（SW）和LDO经过优化，可实现高效率和低输出噪声。补偿组件位于集成电路（IC）外部，外部电阻分压器允许对开关器和LDO的输出电压进行调整。开关频率由外部控制，该评估模块的标称开关频率设置为480kHz。

模块设置

输入和输出连接

• J1（Vin）：输入电源连接器。输入电源的正输入线和接地回路线应绞合在一起，并尽可能短，以减少EMI传输。如果电源线长度超过6英寸，应在J1和J2之间添加额外的大容量电容，例如47µF的电解电容，可改善TPS54122的瞬态响应。
• J2（PGND）：输入电源接地连接器，同样需注意减少EMI传输。
• J3（LDO VOUT）：LDO的输出，默认设置为1.8V。若通过J5加载LDO，J3可作为LDO输出电容的开尔文连接。
• J4（LDO VOUT GND）：低噪声接地连接器，连接到LDO的接地端。
• J5（LDO VOUT SMA）：LDO输出电压的SMA连接器，该连接器在TPS54122EVM（PWR201）上未安装，可用于更精确的PSRR和噪声测量。
• J6（DC - DC OUT SMA）：开关稳压器输出电压的SMA连接器，同样未安装，可用于更精确的PSRR和噪声测量。
• JP1（LDO EN）：LDO使能跳线，可通过开关器的输出或电源良好信号来使能LDO。
• JP2（SW TO LDO）：开关转换器输出与LDO输入之间的跳线连接，正常运行时需要短路跳线。
• JP3（LDO VBIAS）：VIN与LDO Vbias之间的跳线连接。
• JP4（SW EN）：开关转换器使能跳线，不连接时使能开关器输出，安装短路跳线则禁用。
• TP1（VIN）：输入电源测试点，连接到开关稳压器的输入电源。
• TP2（GND）：干净接地测试点，连接到LDO接地的干净接地。
• TP3（SW GND）：电源接地测试点，连接到开关稳压器的电源接地。
• TP4（LDO PG）：LDO电源良好测试点，连接到LDO的电源良好开漏标志。

模块修改

开关器输出电压设置

开关器的输出电压由R5和R6组成的电阻分压器设置。对于特定输出电压，R5的值可通过公式(R 5=6.2 k Omega timesleft[left(SW_{vour } / 0.827 Vright) cdot 1right])计算。为获得最佳PSR和噪声性能，SW输出应比LDO输出高0.5V。

LDO输出电压设置

LDO的输出电压由R1和R2组成的外部电阻分压器设置。R1的值可通过公式(R 1=10 k Omegaleft(LDO V_{ox, tau}-0.8 Vright) /(0.8 V))计算。为获得最佳PSR和噪声性能，LDO输出应比SW输出低0.5V。

开关器慢启动时间

可通过改变C17的值来调整慢启动时间，计算公式为(C 17(n F)=t{s s}(m s) × I{s s}(mu A) / V_{r e l}(V))。

LDO启动

可通过改变C7的值来调整LDO的启动时间，计算公式为(C 7(nF)=t{ss}(ms) × l{(N)}(mu A) / V_{(mu B)}(V))。

设备互连

• 关闭输入电源，确保其输出电压设置为所需值（小于5.5V），电流限制设置为约5A。
• 将输入电源的正电压线连接到J1（VIN），接地线连接到J2（PGND）。
• 在LDO OUT和GND之间使用J3和J4连接0 - 3A的负载。
• 在JP3上放置短路跳线，将LDO VBIAS连接到VIN。
• 在JP2上放置短路跳线，将“DC - DC OUT”连接到“LDO IN”。
• 通过移除JP1上的短路跳线禁用LDO输出。

模块操作

• 打开输入电源，验证开关器输出电压接近2.2V，LDO输出接近0V。
• 在JP1上放置短路跳线以启用LDO输出。
• 验证LDO输出电压为1.8V。
• 根据测试需要改变负载电流和VIN电压。
• 进行必要的修改以复制最终应用的所需规格，并相应地重新测试。

测试结果

输出噪声

图1展示了在(V{IN}=5 ~V)、(LDO OUT =1.8 ~V)、(SW OUT =2.2 ~V)、(I{OUT }=50 ~mA)、(Fswitching =480 kHz)以及各种输出电容条件下，TPS54122EVM的输出电压噪声频谱。

输出电压纹波

图2展示了在(V{IN}=5 ~V)、(SW OUT =2.2 ~V)、(LDO OUT =1.8 ~V)、(I{OUT }=0 ~mA)、(F switching =480 kHz)条件下，LDO和开关转换器的输出电压纹波。

输出开启

图3 - 5分别展示了开关器和LDO在启动过程中的输出电压情况。

负载瞬态

图6展示了TPS54122对负载瞬态的响应，电流从最大额定负载的25%跃变到75%，输入电压为5V。

DC - DC效率

图7展示了在环境温度为25°C、(V_{IN}=3.3 ~V)、开关频率为1MHz条件下，TPS54122的效率。

电路板布局

TPS54122评估板采用4层布局，旨在尽可能将LDO的模拟接地与开关器的噪声隔离开来。关键模拟电路如分压器、降噪电容、输入和输出电容都连接到低噪声模拟接地层。

• 顶层：包含LDO的模拟接地、开关器一侧的部分输出电源接地以及大部分外部组件。
• 第一层内部层：连接到IC的电源焊盘和模拟接地，主要用于功率耗散，还包含开关器的输入电压平面。
• 第二层内部层：主要用于模拟接地，通过在中心制作一个小的隔离电源接地平面，减少与模拟接地的电容耦合，以屏蔽LDO接地免受开关节点噪声的影响。
• 底层：电感（L1）和开关器的输出电容（C9、C10）靠近中心位置，大部分剩余表面积连接到模拟接地，并通过过孔与顶层和内部层连接。

原理图与物料清单

原理图展示了TPS54122评估板的电路连接，物料清单详细列出了评估板所使用的各种组件，包括电容、电阻、电感、连接器等的规格和型号。

总结

德州仪器的TPS54122EVM - 201评估模块为工程师提供了一个全面的平台，用于评估TPS54122低噪声3A电源的性能。通过合理的设置、操作和测试，工程师可以深入了解该模块的特性，并将其应用于实际的电路设计中。在使用过程中，工程师们需要严格遵循相关的安全和操作规范，以确保设备的正常运行和自身的安全。你在实际应用中是否也遇到过类似的电源模块设计问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。