TPS54020 SWIFT™ 降压转换器评估模块使用指南

在电子设计领域，电源转换模块的性能和稳定性至关重要。TPS54020 SWIFT™ 降压转换器评估模块（EVM）为工程师提供了一个便捷的平台，用于评估和验证该转换器的性能。本文将详细介绍该评估模块的相关信息，包括背景、性能规格、测试设置和结果等内容。

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一、模块背景

TPS54020 是一款直流 - 直流转换器，能够提供高达 10A 的输出电流。它采用了分离输入电源轨设计，为功率级和控制电路分别提供独立的输入电压。功率级输入（PVIN）的额定电压范围为 1.6V 至 17V，控制输入（(V{IN})）的额定电压范围为 4.5V 至 17V。该评估模块设计并测试时将 PVIN 连接到 (V{IN})，其额定输入电压范围为 8V 至 17V（启动电压为 7.5V），输出电流范围为 0A 至 10A。

其开关频率通过一个电阻外部设置，标称值为 500kHz。内部集成了高端和低端 MOSFET 以及栅极驱动电路，MOSFET 的低漏源导通电阻使得 TPS54020 能够实现高效率，并有助于在高输出电流时保持较低的结温。补偿组件位于集成电路（IC）外部，通过外部分压器可实现输出电压的可调。此外，该转换器还提供了可调的慢启动和欠压锁定输入功能。评估模块的绝对最大输入电压为 20V，但建议的最大输入电压为 17V，不应超过此值。

二、性能规格总结

评估模块的性能规格总结如下（除非另有说明，测试条件为输入电压 (V_{IN}=12V)，输出电压为 1.8V，环境温度为 25°C）：	规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
(V{IN}) 电压范围（PVIN = (V{IN})）		8	12	17	V
(V_{IN}) 启动电压		7.5			V
(V_{IN}) 停止电压		7.1			V
输出电压设定点			1.8		V
输出电流范围	(V_{IN}) = 8V 至 17V	0		10	A
线性调整率	(I{O}) = 5A，(V{IN}) = 8V 至 17V			±0.3%
负载调整率	(V{IN}) = 12V，(I{O}) = 0A 至 10A			±0.5%
负载瞬态响应（(I_{O}) 从 2.5A 到 47.5A）				电压变化 -150mV 恢复时间 200µS
负载瞬态响应（(I_{O}) 从 47.5A 到 2.5A）				电压变化 150mV 恢复时间 200µS
环路带宽	(V{IN}) = 12V，(I{O}) = 1.9A		30		kHz
相位裕度	(V{IN}) = 12V，(I{O}) = 1.9A		60		度
输入纹波电压	(I_{O}) = 10A			300	mVpp
输出纹波电压	(I_{O}) = 6A			18	mVpp
输出上升时间			26		mS
工作频率			500		kHz
峰值效率（TPS54020EVM - 082，(V{IN}) = 12V，(I{O}) = 5A）			89%

三、模块修改

3.1 输出电压设定点

输出电压由 R7 和 R10 组成的电阻分压器网络设定，其中下部分压电阻 R10 应保持为 2.55kΩ 不变。要改变评估模块的输出电压，需要改变电阻 R7 的值，通过公式 (R 7=frac{left(V{out }-V{ref }right) × R 10}{V{ref }}) 计算 R7 的值，可使输出电压在 0.6V 至 5V 之间变化。同时，(V{IN}) 必须在一定范围内，以确保最小导通时间大于 150ns。

3.2 慢启动时间

慢启动时间可通过改变 C14 的值进行调整，使用公式 (C 14=frac{T{S S} × I{S S}}{V{ref }}) 计算所需的 C14 值，其中 (T{SS}) 为期望的慢启动时间，(I{SS}) 为慢启动充电电流（标称值为 2.3µA），(V{REF}) 为参考电压（0.6V）。评估模块使用 (C14 = 0.1mu F) 时，慢启动时间约为 26ms。

3.3 可调欠压锁定（UVLO）

欠压锁定（UVLO）可通过外部的 R6 和 R11 进行调整。评估模块使用 (R 6 = 69.8kΩ) 和 (R 11 = 13.3kΩ) 时，启动电压为 7.5V，停止电压为 7.1V。可使用公式 (R 6=frac{V{Start } timesleft(frac{V{E N falling }}{V{E N rising }}right)-V{Stop }}{I{p} timesleft(1-frac{V{E N} E{E N rising }}{V{E N rising }}right)+I{h}}) 和 (R 11=frac{R 6 × V{E N falling }}{V{Stop }-V{E N falling }+R 6 timesleft(I{p}+I{h}right)}) 计算不同启动和停止电压所需的电阻值。

3.4 输入电压轨

评估模块设计为可适应功率级和控制逻辑的不同输入电压水平。在大多数应用中，通过 J2 上的跳线将 PVIN 和 (V_{IN}) 输入连接在一起，此时只需在 J1 处提供一个输入电压。若需要分离这两个输入电压轨，可移除 J2 上的跳线，然后在 J1 和 J4 处分别提供两个输入电压。

四、测试设置和结果

4.1 输入 / 输出连接

评估模块配备了输入 / 输出连接器和测试点。需将能够提供 5A 电流的电源连接到 J1，建议使用一对 20 - AWG 的电线。J2 上的跳线应跨接在引脚 1 和 2 之间。负载应连接到 J3，同样建议使用一对 20 - AWG 的电线，负载需能够在 1.8V 下吸收 10A 电流。应尽量减小电线长度以减少电线中的损耗。测试点 TP1 用于监测 PVIN 输入电压，TP6 提供方便的接地参考；TP5 用于监测输出电压，TP8 为接地参考。

4.2 效率

评估模块的效率在负载电流为 3A 至 6A 之间达到峰值，随后随着负载电流接近满载而降低。环境温度升高时，由于内部 MOSFET 的漏源电阻 (R_{DS_ON}) 随温度变化，效率会降低。

4.3 输出电压负载调整率

输出电压负载调整率反映了输出电压随负载电流变化的情况，通过相关测试曲线可直观了解不同输入电压下输出电压随负载电流的变化趋势。

4.4 输出电压线性调整率

输出电压线性调整率体现了输出电压随输入电压变化的特性，通过测试曲线可观察到不同输出电流下输出电压随输入电压的变化情况。

4.5 负载瞬态响应

负载瞬态响应测试展示了评估模块在负载电流突然变化时的响应情况，包括电压变化和恢复时间等参数。

4.6 控制环路响应

控制环路响应特性通过增益和相位图展示，可帮助工程师了解评估模块在特定输入电压和负载电流下的环路性能。

4.7 输出电压纹波

输出电压纹波是衡量输出电压稳定性的重要指标，测试结果显示了在额定满载（10A）和特定输入电压（(V_{IN}=12V)）下的输出电压纹波情况。

4.8 输入电压纹波

输入电压纹波反映了输入电压的波动情况，测试结果展示了在额定满载（10A）和特定输入电压（(V_{IN}=12V)）下的输入电压纹波。

4.9 启动

评估模块的启动方式有两种，一种是输入电压达到 UVLO 阈值时输出电压开始上升；另一种是通过控制 EN 引脚，当 EN 电压达到使能阈值时，启动序列开始，输出电压上升到外部设定值（1.8V）。

4.10 预偏置启动

TPS54020 设计为可在预偏置输出的情况下启动，即输出电压在慢启动序列开始时不会放电到地，而是在慢启动电压达到预偏置母线电压后开始向调节值增加。

4.11 打嗝模式电流限制

评估模块具有打嗝模式电流限制功能，当发生过流事件时，设备会关闭并重新启动。

五、电路板布局

评估模块的电路板采用 4 层设计，所有层均为 2 - oz 铜。顶层包含 PVIN、(V_{IN})、(VOUT) 和 VPHASE 的主要功率走线，以及 TPS54020 的几个模拟引脚连接和大面积的 PGND。两个内层主要包含功率平面，包括 PGND、(VOUT)、PVIN 和 VPHASE。底层包含其余的模拟电路连接以及与内层类似的功率平面。顶层和底层以及内层的功率和接地平面通过多个过孔连接，包括 TPS54020 器件下方的几个过孔，以提供从顶层功率平面到其他层功率平面的热路径。输入去耦电容 C4 和自举电容 C5 尽可能靠近 IC 放置，电压设定点电阻分压器组件也靠近 IC。连接到电压分压器网络的位置定义了调节点，即输出连接器 J3 处的铜质 (VOUT) 走线。此外，TPS54020 还包含一个额外的输入大容量电容，以有效降低从输入电源到开关的源阻抗。关键模拟电路，如电压设定点分压器、频率设定电阻、慢启动电容和补偿组件，通过与功率接地平面分离的接地走线连接到模拟地（AGND）。

六、原理图和物料清单

6.1 原理图

评估模块的原理图展示了各个组件之间的连接关系，包括电源输入、输出、控制信号等。

6.2 物料清单

物料清单详细列出了评估模块所使用的各种组件，包括电容、电阻、电感、连接器、测试点、IC 等，以及它们的参数、尺寸、型号和制造商等信息。

综上所述，TPS54020 SWIFT™ 降压转换器评估模块为工程师提供了一个全面的平台，用于评估和验证该转换器的性能。通过对模块的修改和测试，工程师可以根据具体应用需求进行优化和调整。你在实际使用该评估模块时是否遇到过一些特殊的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。