德州仪器TPS5420EVM - 175调节器评估模块深度解析

在电子设计领域，电源管理模块的性能和设计合理性至关重要。德州仪器（Texas Instruments）的TPS5420EVM - 175调节器评估模块，为工程师们提供了一个便捷且高效的电源管理解决方案。下面，我们就来详细解析这个评估模块。

文件下载：TPS5420EVM-175.pdf

一、模块概述

TPS5420EVM - 175评估模块主要用于展示TPS5420调节器在设计中所能实现的小尺寸特性。TPS5420是一款直流 - 直流转换器，能够在5.5V至36V的输入电压源下，提供高达2A的连续输出电流和3A的峰值输出电流。该评估模块的额定输入电压范围为10V至36V，输出电流范围为0A至2A。其开关频率内部设定为标称500kHz，内部集成了高端MOSFET和栅极驱动电路，低导通电阻的MOSFET有助于实现高效率，并在高输出电流时保持较低的结温。

1.1 背景信息

TPS5420的补偿组件集成在集成电路内部，同时通过外部分压器可实现输出电压的可调。此外，它还提供了使能输入功能，绝对最大输入电压为36V。

1.2 性能规格总结

规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
VIN电压范围		10		36	V
输出电压设定点			5.0		V
输出电流范围	VIN = 10V至36V	0		2.5	A
线性调节率	IO = 1A，VIN = 3V - 6V			±0.11%
负载调节率	VIN = 25V，IO = 0A至2.5A			±0.1%
负载瞬态响应（电压变化）	IO = 0.75A至2.25A	-40			mV
恢复时间			200		μs
负载瞬态响应（电压变化）	IO = 2.25A至0.75A			+40	mV
恢复时间			200		μs
环路带宽	VIN = 25V		25.0		kHz
相位裕度	VIN = 25V		55
输入纹波电压	IO = 3A	275		300	mVpp
输出纹波电压			32		mVpp
输出上升时间			7		ms
工作频率			500		kHz
最大效率	VIN = 10V，VO = 5V，IO = 0.75A		93.2%

二、测试设置与结果

2.1 输入/输出连接

该评估模块配备了输入/输出连接器和测试点。应使用能够提供2A电流的电源，通过一对20AWG电线连接到J1；负载则通过一对20AWG电线连接到J3，最大负载电流能力为2A。为减少电线损耗，应尽量缩短电线长度。测试点TP1用于监测VIN输入电压，TP2作为接地参考；TP3用于监测输出电压，TP4作为接地参考；TP5用于环路响应测量；TP6为PH测试点。

2.2 效率

TPS5420EVM - 175的效率在负载电流约为0.75A时达到峰值，随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。

2.3 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25°C的环境温度下进行测量，负载调节率在VIN = 25V，IO = 0A至2.5A时为±0.1%；线性调节率在IO = 1A，VIN = 3V - 6V时为±0.11%。

2.4 负载瞬态响应

当电流从最大额定负载的25%阶跃到75%时，模块的响应情况可通过图表观察。总峰 - 峰电压变化包括输出上的纹波和噪声。

2.5 环路特性

在VIN电压为25V和1A负载电流的条件下，可得到模块的环路响应特性，包括增益和相位图。

2.6 输出电压纹波

在输入电压VIN = 25V、输出电流为额定满载2A的情况下，可测量输出电压纹波。

2.7 输入电压纹波

在输入电压VIN = 10V、输出电流为额定满载2A时，可观察输入电压纹波情况。

2.8 上电过程

当输入电压从0V上升到25V，达到内部设定的欠压锁定（UVLO）阈值电压5.3V时，慢启动序列开始。内部参考电压以内部设定的慢启动速率线性上升至1.221V，输出电压则上升至设定的5V。也可通过跳线将ENA连接到GND来抑制输出，移除跳线后，ENA释放，慢启动序列开始。

三、模块修改

3.1 输出电压设定点

若要改变评估模块的输出电压，需改变电阻R2的值。可使用公式[R 2=10 k Omega × frac{1.221 V}{V_{O}-1.221 V}]计算特定输出电压对应的R2值。常见输出电压对应的R2值如下：	输出电压（V）	R2值（kΩ）
1.8	21.5
2.5	9.53
3.3	5.90
5	3.24

3.2 输入电压范围

评估模块设计为在10V至36V的输入电压范围内工作，而TPS5420的输入电压范围为5.5V至36V。

四、电路板布局

TPS5420EVM - 175的电路板布局采用典型的用户应用方式。顶层包含VIN、OUT和VPHASE的主电源走线，以及TPS5420其余引脚的连接和大面积的接地区域；底层包含接地和一些信号走线。顶层和底层以及内部接地走线通过多个过孔连接，包括TPS5420器件正下方的四个过孔，为PowerPAD™焊盘提供到地的热路径。输入去耦电容（C1和C4）和自举电容（C3）都尽可能靠近集成电路放置，电压设定点电阻分压器组件也靠近集成电路，电压分压器网络在调节点连接到输出电压，与输出电容C3相邻。

五、原理图与物料清单

5.1 原理图

TPS5420EVM - 175的原理图展示了模块的电路连接和元件布局。

5.2 物料清单

数量	参考标号	值	描述	尺寸	部件编号	制造商
2	C1, C4	4.7 μF	陶瓷电容，50V，X7R，20%	1812	C4532X5R1H475MT	TDK
1	C2	0.01 μF	陶瓷电容，50V，X7R，10%	0603	C1608X7R1H103K	TDK
1	C3	100 μF	钽电容，10V，20%	7343(D)	TPSD107M010R0080	AVX
1	D1		肖特基二极管，3A，40V	SMA	B340A	Diodes Inc
2	J1, J2		端子块，2引脚，6A，3.5mm	0.27 x 0.25	ED1514	OST
1	JP1		2引脚接头，100mil间距	0.100 x 2	PTC36SAAN	Sullins
1	L1	33 μH	贴片电感，2.2A，75毫欧	0.484 x 0.484	MSS1260 - 333	Coilcraft
1	R1	10.0 k	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
1	R2	3.24 k	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
1	R3	0	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
4	TP1, TP3, TP5, TP6		测试点，红色，通孔，颜色编码	0.100 x 0.100	5000	Keystone
2	TP2, TP4		测试点，黑色，通孔，颜色编码	0.100 x 0.100	5001	Keystone
1	U1		开关降压调节器，36V，2A，SO8		TPS5420D	TI
1		PCB，1.95英寸 x 1.95英寸 x 0.062英寸			HPA175	Any
1		分流器，100mil，黑色		0.100	929950 - 00	3M

六、使用注意事项

6.1 评估用途

该评估模块仅用于实验室/开发环境的初步可行性评估，并非成品电气设备，不适合普通消费者使用。

6.2 责任与风险

用户需对产品的安全和合规性负责，确保产品符合所有相关法律法规和监管要求。同时，要保证EVM与人体的接口设计具有适当的隔离和安全措施，以限制可触及的泄漏电流，降低电击危险。

6.3 操作规范

应在德州仪器推荐的规格和环境条件下操作评估模块，超出规定的额定值可能导致财产损失、人身伤害或死亡。在连接负载时，需确保负载在规定的输出范围内，否则可能导致意外或不准确的操作，甚至对EVM和接口电子设备造成永久性损坏。

6.4 安全关键应用

如果打算将组件用于安全关键应用（如生命支持），必须特别通知德州仪器，并签订单独的保证和赔偿协议。

德州仪器的TPS5420EVM - 175调节器评估模块为电源管理设计提供了一个全面且可靠的解决方案。通过对其性能、布局和使用注意事项的详细了解，工程师们可以更好地利用该模块进行电源管理设计，确保设计的安全性和可靠性。大家在实际使用中有没有遇到过什么问题呢？欢迎在评论区分享交流。