TPS54336EVM - 556 3 - A 调节器评估模块深度解析

一、引言

在电子设计领域，电源管理模块的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天我们要深入探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的 TPS54336EVM - 556 3 - A 调节器评估模块。这个评估模块不仅能帮助我们了解 TPS54336 直流 - 直流转换器的特性，还能为实际设计提供重要参考。

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1.1 背景知识

TPS54336 是一款设计用于从 4.5V 至 28V 的输入电压源提供高达 3A 输出的直流 - 直流转换器。评估模块的额定输入电压范围为 8V 至 28V，输出电流范围为 0A 至 3A。其内部开关频率标称设置为 340kHz，内部集成了高端和低端 MOSFET 以及栅极驱动电路。MOSFET 较低的漏源导通电阻使得 TPS54336 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外部，通过外部分压器可实现输出电压的可调。此外，TPS54336 还提供了可调的软启动和欠压锁定输入功能，其绝对最大输入电压为 30V。

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
(V_{IN}) 工作电压范围	-	8	24	28	V
(V_{IN}) 启动电压	-	-	7.12	-	V
(V_{IN}) 停止电压	-	-	6.12	-	V
输出电压设定点	-	-	5	-	V
输出电流范围	(V_{IN}) = 8V 至 28V	0	-	3	A
线性调整率	(IO) = 1.5A，(V{IN}) = 8V 至 28V	-	-	±0.05%	-
负载调整率	(V_{IN}) = 24V，(I_O) = 0A 至 3A	-	-	±0.3%	-
负载瞬态响应（(I_O) = 0.75A 至 2.25A）	-	-	-	190mV	-
恢复时间（(I_O) = 0.75A 至 2.25A）	-	-	150	-	μs
负载瞬态响应（(I_O) = 2.25A 至 0.75A）	-	-	-	190mV	-
恢复时间（(I_O) = 2.25A 至 0.75A）	-	-	150	-	μs
环路带宽	(V_{IN}) = 24V，(I_O) = 1.5A	-	31.6	-	kHz
相位裕度	(V_{IN}) = 24V，(I_O) = 1.5A	-	55	-	-
输入纹波电压	(I_O) = 3A	-	-	400	mVPP
输出纹波电压	(I_O) = 3A	-	-	<30	mVPP
输出上升时间	-	-	3.47	-	ms
工作频率	-	-	340	-	kHz
最大效率（(V_{IN}) = 8V，(I_O) = 0.7A）	-	-	96.5%	-	-

1.3 模块修改

这个评估模块为我们提供了访问 TPS54336 特性的途径，并且可以进行一些修改。

• 输出电压设定点：通过改变电阻 R8 的值可以调整输出电压，计算公式为 (R 8=frac{R 7 × 0.8 V}{V_{OUT }-0.8 V})，其中 R7 通常取 100kΩ。不同输出电压对应的 R8 值如下表所示：	输出电压 (V)	R7 值 (kΩ)	R8 值 (kΩ)
  1.2	100	200
  1.8	100	80.6
  2.5	100	47.5
  3.3	100	32.4
  5.0	100	19.1

• 可调欠压锁定（UVLO）：可以通过外部电阻 R1 和 R2 调整欠压锁定功能。计算公式为 (R 2=frac{R 1 × V{ENFALLING }}{V{STOP }-V{ENFALLING }+R 1left(l{p}+l{h}right)}) 和 (R 1=frac{V{START }left(frac{V{ENFALLING }}{V{ENRISHING }}right)-V{STOP }}{I{p}left(1-frac{V{ENFALLING }}{V{ENRISHING }}right)+I{h}})，其中 (I{p}=1.15 mu A)，(I{h}=3.3 mu A)，(V{ENFALLING }=1.17 V)，(V_{ENRISING }=1.21 V)。评估模块默认使用 (R 1=220 k Omega) 和 (R 2=43.2 k Omega) 设置启动电压为 7.12V，停止电压为 6.12V。
• 可调软启动：TPS54336 具有可调软启动功能，软启动时间可以通过电容 C3 进行调整，计算公式为 (C 3(nF)=frac{T{S S}(m sec) × I{S S}(mu A)}{V{R E F}(V)})，其中 (I{SS}=2.3 µA)，(V_{REF}=0.8 V)。

二、测试设置与结果

2.1 输入/输出连接

TPS54336EVM - 556 配备了输入/输出连接器和测试点。需要使用能够提供 2A 电流的电源通过一对 20 - AWG 电线连接到 J1，负载则通过一对 20 - AWG 电线连接到 J4，负载的最大电流能力至少为 4A 才能充分发挥该评估模块的性能。同时，要尽量减小电线长度以降低线路损耗。测试点 TP1 用于监测 (V_{IN}) 输入电压，TP2 作为接地参考；TP6 用于监测输出电压，TP7 作为接地参考。

2.2 效率

该评估模块的效率在负载电流约为 0.5A - 1A 时达到峰值，随后随着负载电流接近满载而下降。在环境温度为 25°C 时，不同输入电压下的效率曲线如图所示。需要注意的是，由于内部 MOSFET 的漏源电阻随温度变化，在较高环境温度下效率可能会降低。

2.3 输出电压负载调整率

输出电压负载调整率反映了在不同负载电流下输出电压的变化情况。在环境温度为 25°C 时，测量结果表明，当 (V_{IN}=24V) 时，负载调整率在规定范围内。

2.4 输出电压线性调整率

线性调整率体现了输入电压变化时输出电压的稳定性。在 (I_{OUT}=1.5A) 且输入电压在 5V 至 30V 范围内变化时，线性调整率保持在一定范围内。

2.5 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能力。当输入电压为 24V，负载电流从 25% 到 75% 额定负载变化时，输出电压的总峰 - 峰电压变化包括纹波和噪声。

2.6 环路特性

环路特性测试通过增益和相位图展示了评估模块的环路响应特性。在 (V_{IN}=24V) 且负载电流为 1.5A 时，测量得到的环路带宽和相位裕度符合规格要求。

2.7 输出电压纹波

分别测试了满载、轻载和跳模式下的输出电压纹波。在 (V_{IN}=24V) 时，直接在输出电容两端测量纹波电压。

2.8 输入电压纹波

在输出电流为额定满载 3A 且 (V_{IN}=24V) 时，测量输入电容两端的输入电压纹波。

2.9 上电过程

上电过程的波形展示了输出电压在输入电压达到欠压锁定阈值或使能信号达到阈值时的上升情况。

2.10 下电过程

下电过程的波形展示了输出电压在输入电压低于欠压锁定停止阈值或使能信号被拉低时的下降情况。

三、电路板布局

3.1 布局特点

TPS54336EVM - 556 的电路板布局采用了典型的用户应用方式。顶层和底层为 2 - oz 铜层，顶层包含 (V{IN})、(V{out}) 和 VPHASE 的主要功率走线，以及 TPS54336 其余引脚的连接和大面积的接地区域。为了将主输入旁路电容尽可能靠近 (V{IN}) 和 GND 引脚放置，VPHASE 走线在引脚 3 连接处立即路由到底层，在 L1 电感和 C4 自举电容处再路由回顶层。底层包含接地平面和 VPHASE 的铜填充区域，以及连接电压设定点分压器上电阻到 J2 输出连接器调节点的蚀刻走线，和连接欠压锁定设定点分压器网络上电阻到 (V{IN}) 的走线。顶层接地区域通过多个过孔连接到底层和内部接地平面，包括 TPS54336 器件正下方的四个过孔，以提供从顶层接地区域到底层和内部接地平面的热路径。输入去耦电容（C2 和 C1）和自举电容（C4）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。此外，PWR556 PCB 设计为可同时容纳 TPS54335 和 TPS54336，对于 TPS54335 使用 RT 电阻 R3，对于 TPS54336 使用 C3 来设置可调软启动时间。根据评估模块与输入电源的连接情况，可能需要额外的输入大容量电容。

四、原理图与物料清单

4.1 原理图

原理图清晰地展示了 TPS54336EVM - 556 的电路连接，包括各个元件的连接方式和信号流向。

4.2 物料清单

物料清单详细列出了评估模块所使用的各个元件的型号、参数、数量和制造商等信息，为实际设计和生产提供了准确的参考。

总之，TPS54336EVM - 556 评估模块在电源管理设计中具有重要的参考价值。通过对其性能的测试和分析，我们可以更好地了解 TPS54336 转换器的特性，为实际应用中的电源设计提供有力支持。在使用该评估模块时，一定要严格遵循相关的安全和使用说明，确保测试和设计工作的顺利进行。大家在实际设计中有没有遇到过类似电源模块的问题呢？欢迎在评论区分享交流。