TPS54239E降压转换器评估模块使用指南

一、引言

在电子设备的电源设计中，降压转换器是常用的电路元件，能够将较高的输入电压转换为稳定的较低输出电压。TI的TPS54239E是一款单通道、自适应导通时间、采用D - CAP2™模式的同步降压转换器，它具有所需外部元件数量少的优点。D - CAP2控制电路针对低等效串联电阻（ESR）的输出电容器（如POSCAP、SP - CAP或陶瓷电容）进行了优化，具备快速瞬态响应且无需外部补偿的特性。其内部设定的开关频率标称值为600kHz，还集成了高端和低端开关MOSFET以及栅极驱动电路，较低的MOSFET漏源导通电阻有助于实现高效率，并在高输出电流时保持较低的结温。此外，为了在轻载时进一步提高效率，它还具备脉冲跳跃Eco模式操作。TPS54239E直流/直流同步转换器可在4.5V至23V的输入电压下提供高达2A的输出电流，输出电压范围为0.76V至7V。而TPS54239EEVM - 056评估模块电路则可从4.5V至23V输入提供1.05V/2A的输出。

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二、性能规格总结

2.1 输入输出范围

TPS54239EEVM - 056评估模块的输入电压范围为4.5V至23V，输出电流范围为0A至2A。在输入电压 (V_{IN}=12V) 、输出电压为1.05V（除非另有说明）、环境温度为25°C（除非另有说明）的条件下，其性能规格如下：	规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压范围 ((V_{IN}))	-	4.5	12	23	V
输出电压	-	-	1.05	-	V
工作频率	(V{IN}=12V)，(I{O}=1.5A)	-	600	-	kHz
输出电流范围	-	0	-	2	A
线性调整率	(I_{O}=1A)	-	-	+0.7/–0.3	%
负载调整率	(V_{IN}=12V)	-	-	+0.8, –0.1	%
过流限制	(V{IN}=12V)，(L{O}=2.2µH)	2.5	3.1	4.6	A
输出纹波电压	(V{IN}=12V)，(I{O}=2A)	-	-	10	(mV_{PP})
最大效率	(V{IN}=5V)，(I{O}=0.5A)	-	88	-	%

三、模块修改

3.1 输出电压设定点

若要改变评估模块（EVM）的输出电压，需要改变电阻R1的值。通过改变R1的值，可以将输出电压调整到0.765V以上。对于特定输出电压，R1的值可通过公式 (V_{O}=0.765×(1 + frac{R1}{R2})) 计算得出。表3 - 1列出了一些常见输出电压对应的R1值。对于1.8V及以上的较高输出电压，可能需要一个前馈电容（C4）来改善相位裕度，印刷电路板（PCB）上提供了该元件（C4）的焊盘。需要注意的是，表3 - 1中给出的电阻值是标准值，并非通过上述公式精确计算得出的值。

3.2 输出滤波器和闭环响应

TPS54239E依靠输出滤波器的特性来确保控制环路的稳定性。表3 - 1给出了常见输出电压推荐的输出滤波器元件。其他输出滤波器元件值也可能提供可接受的闭环特性。为了方便断开控制环路并测量闭环响应，电路板上提供了R3和TP4。

四、测试设置与结果

4.1 输入/输出连接

TPS54239EEVM - 056配备了输入和输出连接器以及测试点。必须通过一对20 AWG电线将能够提供2A电流的电源连接到J1，负载则通过一对20 AWG电线连接到J2，最大负载电流能力为2A。为减少电线中的损耗，应尽量缩短电线长度。测试点TP1用于监测 (V_{IN}) 输入电压，TP2作为方便的接地参考；TP8用于监测输出电压，TP9作为接地参考。具体连接和测试点信息如下表所示：	参考编号	功能
J1	(V{IN})（(V{IN}) 范围见表1 - 1）
J2	(V_{OUT})，1.05V，最大2A
JP1	EN控制。将EN连接到OFF禁用，连接到ON启用
TP1	(V{IN}) 连接器处的 (V{IN}) 测试点
TP2	(V_{IN}) 连接器处的GND测试点
TP3	EN测试点
TP4	环路响应测量测试点
TP5	VREG5测试点
TP6	开关节点测试点
TP7	模拟接地测试点
TP8	(V_{OUT}) 连接器处的输出电压测试点
TP9	(V_{OUT}) 连接器处的接地测试点

4.2 启动程序

1. 确保JP1（启用控制）处的跳线从EN设置到OFF。
2. 将适当的 (V{IN}) 电压施加到J1的 (V{IN}) 和PGND端子。
3. 将JP1（启用控制）处的跳线移动到覆盖EN和ON，评估模块将启用输出电压。

4.3 效率

在环境温度为25°C时，TPS54239EEVM - 056的效率曲线如图4 - 1和图4 - 2所示。图4 - 1展示了不同输入电压下效率随输出电流的变化情况；图4 - 2则显示了轻载时的效率情况。通过观察这些曲线，我们可以了解在不同工作条件下评估模块的效率表现，从而为实际应用中的电源设计提供参考。大家可以思考一下，在实际应用中如何根据这些效率曲线来选择合适的输入电压和输出电流范围，以达到最佳的能源利用效率呢？

4.4 负载调整率

TPS54239EEVM - 056的负载调整率如图4 - 3所示，展示了在 (V{IN}=5V) 和 (V{IN}=12V) 时，负载调整率随输出电流的变化情况。负载调整率反映了输出电压随负载电流变化的稳定性，从图中我们可以直观地看到在不同输入电压和输出电流下，输出电压的变化情况。这对于需要稳定输出电压的应用场景非常重要，那么在实际设计中，如何根据负载调整率曲线来优化电路以满足应用需求呢？

4.5 线性调整率

图4 - 4展示了TPS54239EEVM - 056的线性调整率，即在 (I_{OUT}=1.0A) 时，线性调整率随输入电压的变化情况。线性调整率体现了输出电压随输入电压变化的稳定性，了解这一特性有助于我们在不同输入电压环境下确保输出电压的稳定。在实际应用中，如果输入电压波动较大，我们该如何利用线性调整率的特性来保障电路的正常工作呢？

4.6 负载瞬态响应

图4 - 5展示了TPS54239EEVM - 056对负载瞬态的响应情况，电流阶跃从0.5A到1.5A。通过观察负载瞬态响应曲线，我们可以评估评估模块在负载突然变化时的动态性能，这对于一些对电源动态响应要求较高的应用场景（如高速数字电路）至关重要。那么在设计中，如何根据负载瞬态响应的特点来优化电路，以提高系统的稳定性和可靠性呢？

4.7 输出电压纹波

图4 - 6、图4 - 7和图4 - 8分别展示了在输出电流为额定满载2A、50mA和0A（无负载）时，TPS54239EEVM - 056的输出电压纹波情况。输出电压纹波是衡量电源输出质量的重要指标之一，较小的纹波意味着更稳定的输出电压。在实际应用中，我们需要根据具体的应用需求来控制输出电压纹波，那么有哪些方法可以有效降低输出电压纹波呢？

4.8 输入电压纹波

图4 - 9展示了在输出电流为额定满载2A时，TPS54239EEVM - 056的输入电压纹波情况。输入电压纹波可能会影响电源的稳定性和其他电路的正常工作，因此了解输入电压纹波的特性对于电源设计和系统稳定性至关重要。在实际设计中，如何采取措施来减小输入电压纹波呢？

4.9 启动

图4 - 10和图4 - 11展示了TPS54239EEVM - 056相对于 (V{IN}) 和EN的启动波形（(R{LOAD}=1Ω)）。启动过程的稳定性对于系统的正常运行非常重要，通过观察启动波形，我们可以分析启动过程中输出电压、输入电压和使能信号等的变化情况，从而优化启动电路的设计。那么在实际设计中，如何根据启动波形来调整启动参数，以确保系统能够平稳启动呢？

4.10 关机

图4 - 12和图4 - 13展示了TPS54239EEVM - 056相对于 (V{IN}) 和EN的关机波形（(R{LOAD}=1Ω)）。了解关机过程的特性有助于我们在系统关机时确保电源的安全和稳定，避免出现异常情况。在实际应用中，我们可以根据关机波形来优化关机电路的设计，那么有哪些关键因素需要考虑呢？

五、电路板布局

5.1 布局

TPS54239EEVM - 056的电路板布局如图5 - 1至图5 - 5所示。顶层包含 (V{IN})、(V{O}) 和接地的主要电源走线，还包括TPS54239E引脚的连接以及大面积的接地填充。许多信号走线也位于顶层，输入去耦电容尽可能靠近IC放置。输入和输出连接器、测试点以及所有组件都位于顶层，顶层还提供了一个模拟接地（GND）区域，模拟接地（GND）和电源接地（PGND）在顶层靠近C6的单点连接。两个内层完全用于电源接地平面，底层主要是电源接地，底层的铜浇铸区域用于将开关节点（SW）连接到输出电感器和升压电容，走线还连接了使能控制跳线、EN、VREG5、LOOP测试点以及从 (V_{OUT}) 到电压设定点分压网络的反馈走线。合理的电路板布局对于降低电磁干扰、提高电路性能和稳定性非常重要，大家在实际设计中是否有遇到过因为电路板布局不合理而导致的问题呢？

六、原理图、物料清单和参考资料

6.1 原理图

图6 - 1为TPS54239EEVM - 056的原理图，通过原理图我们可以清晰地了解电路的结构和各个元件之间的连接关系，这对于电路的分析和调试非常有帮助。在实际设计中，我们可以根据原理图进行电路的仿真和优化，那么如何利用原理图来进行电路的故障排查呢？

6.2 物料清单

表6 - 1列出了TPS54239EEVM - 056的物料清单，包括各个元件的数量、值、描述、尺寸、零件编号和制造商等信息。准确的物料清单对于采购和组装电路板非常重要，在实际采购过程中，我们需要注意元件的参数和兼容性，以确保电路的正常工作。那么在选择元件时，除了参数和兼容性，还需要考虑哪些因素呢？

6.3 参考资料

参考资料为“Texas Instruments, TPS54239E, 4.5 V to 23 V Input, 2 - A Synchronous Step - Down SWIFT™ Converter with Eco - Mode™ Data Sheet”，这份数据手册提供了关于TPS54239E更详细的技术信息，在进行电路设计和分析时，我们可以参考该数据手册来获取更多的技术细节和应用建议。

七、修订历史

从2013年1月的版本到2021年10月的版本，文档进行了一些更新，包括更新了表格、图形和交叉引用的编号格式，以及更新了用户指南的标题。了解修订历史有助于我们了解文档的发展和变化，同时也能让我们更好地理解当前版本的内容。

通过对TPS54239E降压转换器评估模块的详细介绍，我们对其性能、使用方法和设计要点有了更深入的了解。在实际的电子设计中，我们可以根据这些信息来选择合适的降压转换器，并进行合理的电路设计和优化，以满足不同应用场景的需求。大家在使用类似的降压转换器时，是否有自己独特的设计经验和技巧呢？欢迎在评论区分享。