TPS54073EVM - 098评估模块：14安培SWIFT™调节器的全面解析

在电子工程师的日常工作中，选择合适的电源调节器评估模块至关重要。今天，我们就来深入探讨一下TPS54073EVM - 098评估模块，看看它的性能、特点以及如何在实际设计中进行应用和调整。

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一、模块概述

TPS54073EVM - 098是一款用于评估TPS54073直流 - 直流转换器的模块。TPS54073能在2.2V至4.0V的输入电压下提供高达14A的输出电流。该模块旨在展示使用TPS54073调节器时可实现的小PCB面积设计，但并不代表使用该器件设计时所能达到的最高效率。其开关频率标称设置为700kHz，允许使用小尺寸的2.2µH输出电感器。

1.1 背景信息

TPS54073具有启动时禁用灌电流（DSDS）功能，适用于输出可能预充电的应用。启动时，它能从初始预充电电压升至所需设定点，而无需先将输出放电至地。其额定输入电压和输出电流范围如下：	EVM	INPUT VOLTAGE RANGE	OUTPUT CURRENT RANGE
TPS54073EVM - 098	VIN = 3.0 V to 4.0 V, PVIN = 2.2 V to 4.0 V	0 A to 14 A

1.2 性能规格总结

在输入电压PVIN = VIN = 3.3V、输出电压为1.5V（除非另有说明）的条件下，TPS54073EVM - 098的性能规格总结如下：	SPECIFICATION	TEST CONDITIONS	MIN	TYP	MAX	UNIT
PVIN电压范围		2.2	3.3	4.0	V
VIN电压范围			3.3		V
输出电压设定点		1.5			V
输出电流范围	VIN = 3.3 V	0 - 14			A
线性调节率	IO = 0 A – 14 A, PVIN = 2.2 V - 4.0 V, VIN = 3.3 V	± 0.2%
负载调节率	VIN = PVIN = 3.3 V, IO = 0 A to 3 A	± 0.2%
负载瞬态响应（电压变化）	IO = 3.5 A to 10.5 A		–175		mV
恢复时间		250		ms
负载瞬态响应（电压变化）	IO = 10.5 A to 3.5 A		175		mV
恢复时间		250		ms
环路带宽	PVIN = 2.2 V		30		kHz
	PVIN = 4.0 V	45
相位裕度	PVIN = 2.2 V	65			°
	PVIN = 4.0 V	52
输入纹波电压		300 - 350			mVpp
输出纹波电压			8	15	mVpp
输出上升时间		N/A			ms
工作频率		700			kHz
最大效率	PVIN = VIN = 3.3 V, VO = 1.5 V, IO = 2.0 A	92%

1.3 模块的可修改特性

该评估模块具有许多可进行广泛修改的特性，以下是一些常见的修改方式：

• 输出电压设定点：要改变EVM的输出电压，需改变电阻R2的值。输出电压可在0.9V至2.5V范围内变化，R2的值可通过公式 (R 2 = 10 k Omega × frac{0.891 V}{V_{O}-0.891 V}) 计算。常见输出电压对应的R2值如下：	Output Voltage (V)	R2 Value (Ω)
  1.0	82.3 k
  1.2	28.7 k
  1.5	14.7 k
  1.8	9.76 k
  2.5	5.49 k

• 开关频率：EVM的开关频率通过将R4设置为71.5kΩ设定为700kHz。可通过改变R4的值将开关频率调整到280kHz至700kHz之间，公式为 (f_{SW}=frac{100 k Omega}{R 2} × 500(kHz))。也可移除R4，使用三针接头J4上的跳线选择350kHz或550kHz的操作频率。需要注意的是，降低开关频率会增加输出纹波，除非增加L1的值。
• 输入滤波器：板载电解输入电容C1可根据应用需求移除。
• 分离输入电压轨：TPS54073有两个输入电压轨PVIN和VIN。正常操作时，两个输入电压按表1在J1和J2连接器处施加。也可通过在连接器J1施加3.0V至4.0V的单一电源，并在JP1上安装跳线来操作EVM。
• 同步功能：TPS54073EVM - 098可同步到外部时钟频率，同步频率范围为330kHz至700kHz。将同步信号驱动到SYNC引脚（连接到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：可通过改变C5的值来延长软启动时间，C5的值可根据相应公式计算。
• 输出预充电：连接器J6用于施加外部预充电电压到输出。但要注意预充电电压不能超过最终设定的输出电压，否则TPS54073无法正常启动。

二、测试设置与结果

2.1 输入/输出连接

TPS54073EVM - 098配备了输入/输出连接器和测试点，具体如下：	Reference Designator	Function
J1	PVIN, 2.2 V to 4.0 V, 3.3 V nominal
J2	VIN, 3.3 V nominal, 3.0 to 4.0 V
J3	VOUT, 1.5 V at 14 A maximum
J4	3 pin header for VIN, SYNC and GND. With R4 open, jumper SYNC to VIN for 550 kHz operation or SYNC to GND for 350 kHz operation
J5	2 pin header for ENA, ground to disable, open to enable
J6	Output voltage pre - charge connector
JP1	Jumper to connect VIN to PVIN
TP1	VIN test point at VIN connector
TP2	PVIN test point at PVIN connector
TP3	GND testpoint at VIN and PVIN connectors
TP4	PWRGD signal monitor testpoint
TP5	Test point used for loop response measurements
TP6	PH testpoint
TP7	Output voltage testpoint at VOUT connector
TP8	GND testpoint at VOUT connector

2.2 效率

TPS54073EVM - 098的效率在负载电流约为2A时达到峰值，然后随着负载电流接近满载而降低。环境温度升高会因MOSFET漏源电阻的温度变化而降低效率，且700kHz的开关频率下效率略低于较低开关频率，这是由于MOSFET的栅极和开关损耗。

2.3 输出电压调节

输出电压的负载调节率和线性调节率在环境温度为25°C时进行测量，相关数据可通过对应的图表查看。

2.4 负载瞬态响应

TPS54073EVM - 098对负载瞬态的响应表现为电流从额定最大负载的25%跃变到75%时，输出电压的总峰 - 峰变化，包括纹波和噪声。

2.5 环路特性

在PVIN电压为2.2V和4.0V时，分别展示了TPS54073EVM - 098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PVIN = VIN = 3.3V、输出电流为额定满载14A的情况下，测量了输出电压纹波。

2.7 输入电压纹波

同样在输入电压PVIN = VIN = 3.3V、输出电流为额定满载14A时，测量了输入电压纹波。

2.8 上电过程

展示了TPS54073EVM - 098的启动波形，包括输出电压相对于VIN和SS/ENA的变化情况。启动过程涉及输入电压充电、输出预充电、内部参考电压上升以及开关开始等步骤。

三、电路板布局

TPS54073EVM - 098的电路板布局包括顶层、底层和两个内部接地层，均采用2.0oz铜。顶层包含VIN、VOUT和VPHASE的主电源走线，以及TPS54073其余引脚的连接和大面积接地。底层包含接地和VOUT铜区以及一些信号布线。两个内部层为专用接地层，通过多个过孔连接顶层、底层和内部接地走线，包括在TPS54073器件正下方的10个过孔，以提供从PowerPAD焊盘到地的热路径。输入去耦电容、偏置去耦电容、自举电容和补偿组件都尽可能靠近IC放置，补偿电路连接到调节点的输出电压，靠近高频旁路输出电容。

四、原理图和物料清单

4.1 原理图

TPS54073EVM - 098的原理图展示了其电路连接和设计细节。

4.2 物料清单

物料清单详细列出了模块所使用的各种元件，包括电容、电阻、电感、连接器、测试点、IC等的规格和型号。

在实际应用中，电子工程师可以根据具体需求对TPS54073EVM - 098进行灵活调整和优化。例如，根据不同的输出电压要求调整R2的值，或者根据系统的稳定性需求调整开关频率等。大家在使用过程中有没有遇到过类似模块的一些特殊问题呢？欢迎在评论区分享交流。