TPS54317EVM-159评估模块：高效电源转换的理想之选

在电子设计领域，电源管理模块的性能和可靠性至关重要。今天，我们将深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的TPS54317EVM - 159评估模块，它为工程师们提供了一个便捷的平台，用于评估TPS54317这款3A SWIFT™调节器的性能。

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一、模块概述

TPS54317EVM - 159评估模块是为了展示TPS54317调节器在小尺寸PCB设计中的应用而设计的。TPS54317直流 - 直流转换器能够从3V至6V的输入电压源提供高达3A的输出电流。它具有扩展的工作频率范围，开关频率标称设置为1100kHz，允许使用小尺寸的1.5µH输出电感器。

1.1 背景信息

TPS54317集成了高端和低端MOSFET以及栅极驱动电路，MOSFET较低的漏源导通电阻使得该器件能够实现高效率，并在高输出电流时保持较低的结温。此外，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。该器件还具备可编程欠压锁定、同步、可调开关频率、使能和电源就绪等功能。

1.2 性能规格

以下是TPS54317EVM - 159在输入电压VIN = 3.3V、输出电压1.8V（除非另有说明）时的性能规格总结：	规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
VIN电压范围	-	3.1	3.3	3.5	V
输出电压设定点	-	-	1.8	-	V
输出电流范围	VIN = 3.3V	0	-	3	A
线性调整率	IO = 0A – 3A, VIN = 3V - 6V	± 0.1%	-	-	-
负载调整率	VIN = 3.3V, IO = 0A to 3A; IO = 0.75A to 2.25A	± 0.2%	-	-	-
负载瞬态响应（电压变化）	-	-40	-	-	mV
负载瞬态响应（恢复时间）	-	-	200	-	ms
负载瞬态响应（电压变化）	IO = 10.5A to 3.5A	+40	-	-	mV
负载瞬态响应（恢复时间）	-	200	-	-	ms
环路带宽	VIN = 3.3V	46	-	-	kHz
相位裕度	VIN = 3.3V	59	-	-	°
输入纹波电压	-	80	-	-	mVpp
输出纹波电压	-	4	-	-	mVpp
输出上升时间	-	3.7	-	-	ms
工作频率	-	1100	-	-	kHz
最大效率	VIN = 3.3V, VO = 1.8V, IO = 0.6A	90.5%	-	-	-

1.3 模块修改

该评估模块具有许多可扩展性，允许工程师进行广泛的修改：

• 输出电压设定点：通过改变电阻R2的值，可以将输出电压设置在0.9V至2.5V的范围内。计算公式为：[R 2=10 k Omega × frac{0.891 V}{V_{O}-0.891 V}]。
• 开关频率：开关频率默认设置为1100kHz，可通过改变电阻R4的值进行调整，范围在280kHz至1600kHz之间，计算公式为[f_{S}=frac{51 k Omega}{R 4}+4.7 k Omega]。也可以通过移除R4并使用跳线在三引脚头J4上选择350kHz或550kHz的内部编程频率。
• 输入滤波器：板载电解输入电容C1可根据应用需求移除。
• 同步功能：该模块可以同步到330kHz至700kHz的外部时钟频率。将同步信号驱动到SYNC引脚（J4的引脚2），并使用R4将自由运行频率设置为同步信号频率的80%。
• 延长软启动时间：通过在C5处添加电容可以延长软启动时间，电容值计算公式为[5(mu F)=T_{S S}(m s) × frac{5 mu A}{1.2 V}]。
• 输入电压范围：评估模块设计为在标称3.3V ±0.2V的输入电压下工作，但TPS54317可在3V至6V的输入电压范围内工作。不过，在较高电压下，电感纹波电流会增加，导致输出纹波电压升高，同时闭环交叉频率会增加，相位裕度会减小。

二、测试设置与结果

2.1 输入/输出连接

TPS54317EVM - 159配备了输入/输出连接器和测试点，具体信息如下：	参考标识	功能
J1	VIN，标称3.3V，范围3.1至3.5V
J2	VOUT，最大3A时为1.8V
JP1	3引脚头，用于选择预设工作频率。将SYNC跳线到VIN为550kHz工作，跳线到GND为350kHz工作。使用此功能时必须移除R4
JP2	2引脚头，包含SS/ENA和GND。将SS/ENA连接到地禁用，断开启用
JP3	2引脚头，包含VIN和PWRGD上拉。如有需要，将上拉连接到Vin
TP1	VIN连接器处的VIN测试点
TP2	VIN处的GND测试点
TP3	补偿网络和R7之间的测试点，用于环路响应测量
TP4	VOUT连接器处的输出电压测试点
TP5	VOUT连接器处的GND测试点
TP6	PWRGD测试点

2.2 效率

TPS54317EVM - 159的效率在负载电流约为0.6A时达到峰值，随后随着负载电流接近满载而下降。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，1100kHz时的效率略低于较低开关频率时的效率。

2.3 输出电压调节

输出电压的负载调节和线性调节特性在环境温度为25°C时进行了测量。负载调节和线性调节的测量结果分别如图2和图3所示。

2.4 负载瞬态响应

当负载电流从额定最大负载的25%阶跃到75%时，TPS54317EVM - 159的响应如图4所示，输出电压的总峰 - 峰电压变化包括纹波和噪声。

2.5 环路特性

在输入电压VIN = 3.3V时，TPS54317EVM - 159的环路响应特性如图5所示，展示了增益和相位图。

2.6 输出电压纹波

在输入电压VIN = 3.3V、输出电流为额定满载3A时，输出电压纹波如图6所示，电压直接在输出电容两端测量。

2.7 输入电压纹波

输入电压纹波在输入电压VIN = 3.3V、输出电流为额定满载3A时进行测量，结果如图7所示。

2.8 上电过程

TPS54317EVM - 159的启动波形如图8所示，顶部轨迹显示VIN，底部轨迹显示VOUT。当输入电压达到内部设置的欠压锁定（UVLO）阈值电压时，软启动序列开始。经过延迟后，内部参考电压以内部设置的软启动速率线性上升至0.891V，输出电压上升至设定的1.8V。可以通过在JP2处使用跳线将SS/ENA连接到地来抑制输出。

三、电路板布局

TPS54317EVM - 159的电路板布局采用了典型的用户应用方式。顶层和底层均为2.0oz铜层，顶层包含VIN、VOUT和VPHASE的主要电源走线，以及TPS54317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布线。顶层、底层和内部接地走线通过多个过孔连接，其中6个过孔直接位于TPS54317器件下方，为PowerPAD™焊盘提供了到地的热路径。

输入去耦电容（C1和C9）、偏置去耦电容（C4）和自举电容（C3）都尽可能靠近IC放置。此外，补偿组件也靠近IC，补偿电路在调节点与输出电压相连，紧邻高频旁路输出电容。

四、原理图和物料清单

4.1 原理图

TPS54317EVM - 159的原理图如图12所示，它清晰地展示了模块的电路连接和信号流向，为工程师进行电路分析和故障排查提供了重要依据。

4.2 物料清单

物料清单详细列出了模块中使用的所有组件，包括电容、电阻、电感、连接器、IC等，具体信息如下：	序号	参考标识	值	描述	尺寸	部件编号	制造商
1	C1	150uF	电容，POSCAP，6.3V，55毫欧，20%	7343(D)	6TPB150ML	Sanyo
2	C10, C2	100uF	电容，陶瓷，6.3V，X5R，20%	1210	C3225X5R0J107M	TDK
1	C11	1000pF	电容，陶瓷，50V，C0G，5%	0603	C1608C0G1H102JB	TDK
1	C3	0.047uF	电容，陶瓷，50V，X5R，10%	0603	C1608X5R1H473KB	TDK
1	C4	0.1uF	电容，陶瓷，25V，X7R，10%	0603	C1608X7R1E104K	TDK
0	C5	开路	电容，陶瓷	0603	-	-
1	C6	3300pF	电容，陶瓷，50V，C0G，5%	0603	C1608C0G1H332JB	TDK
1	C7	150pF	电容，陶瓷，50V，C0G，5%	0603	C1608C0G1H151JB	TDK
1	C8	2200pF	电容，陶瓷，50V，C0G，5%	0603	C1608C0G1H222JB	TDK
1	C9	10uF	电容，陶瓷，10V，X5R，10%	0805	C2012X5R1A106K	TDK
2	J1, J2	端子块，2引脚，6A，3.5mm	-	0.27 x 0.25	ED1514	OST
1	JP1	3引脚头，100密耳间距，（36引脚条）	-	0.100 x 3	PTC36SAAN	Sullins
2	JP2, JP3	2引脚头，100密耳间距，（36引脚条）	-	0.100 x 2	PTC36SAAN	Sullins
1	L1	1.5uH	电感器，SMT，9A，15毫欧	0.255 x 0.270	IHLP2525CZ - 01	Vishay
2	R1, R6	10k	电阻，芯片，1/16W，1%	0603	Std	Std
1	R2	9.76k	电阻，芯片，1/16W，1%	0603	Std	Std
1	R3	6.81k	电阻，芯片，1/16W，1%	0603	Std	Std
1	R4	41.2k	电阻，芯片，1/16W，1%	0603	Std	Std
1	R5	442	电阻，芯片，1/16W，1%	0603	Std	Std
1	R7	0	电阻，芯片，1/16W，1%	0603	Std	Std
4	TP1, TP3, TP4, TP6	测试点，红色，通孔，颜色编码	-	0.100 x 0.100	5000	Keystone
2	TP2, TP5	测试点，黑色，通孔，颜色编码	-	0.100 x 0.100	5001	Keystone
1	U1	IC，IFET功率控制器，可调V，3A，QFN - 24	-	-	TPS54317RHF	TI
1	PCB	2.5英寸 x 1.4英寸 x 0.062英寸	-	-	HPA159	Any
3	分流器，100密耳，黑色	-	-	0.1	929950 - 00	3M

综上所述，TPS54317EVM - 159评估模块为工程师提供了一个全面的平台，用于评估TPS54317调节器的性能和功能。其可扩展性和详细的测试结果为电源管理设计提供了有价值的参考。你在实际应用中是否遇到过类似电源模块的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。