探索TPS54356EVM - 058评估模块：设计与性能解析

在电子工程师的日常工作中，评估模块是验证和测试电源设计的重要工具。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的TPS54356EVM - 058评估模块，了解其特点、性能以及如何进行设计修改。

文件下载：TPS54356EVM-058.pdf

一、模块概述

TPS54356EVM - 058评估模块旨在展示TPS54356直流 - 直流转换器的性能。该转换器能够从4.5至20V的输入电压源提供高达3A的输出电流。此评估模块设计的一大亮点在于，它展示了使用TPS54356调节器设计时可实现的小PCB面积，但并不代表使用该器件设计时所能达到的高效率。其开关频率标称设置为500kHz，允许使用相对小尺寸的22µH输出电感器。

二、性能规格

输入输出范围

输入电压范围为4.5V至20V（最大），标称值为6.0至18V；输出电流范围为0至3A。

性能指标

在输入电压为12V、输出电压为3.3V、环境温度为25°C的条件下，该评估模块的性能指标如下：

• 负载调节：在特定负载变化下，输出电压的变化情况。
• 负载瞬态响应：当负载电流从2.25A变化到0.75A时，输出电压的变化及恢复时间。
• 最大效率：在负载电流约为1至2A时达到峰值，最高可达92%。

三、设计修改

输出电压设定

若要改变评估模块的输出电压，需要更换SWIFT器件（U1）。不同的输出电压对应不同的器件型号，例如：	输出电压（V）	器件型号
1.2	TPS54352
1.5	TPS54353
1.8	TPS54354
2.5	TPS54355
3.3	TPS54356
5.0	TPS54357

开关频率调整

评估模块的开关频率默认设置为500kHz，通过将R4开路实现。若将R4短路，工作频率将设置为250kHz。此外，还可以通过改变R4的值将开关频率调整到250kHz至700kHz之间，计算公式为： [RT(k Omega )=frac{46000}{f_{S}(kHz)-35.9}] 如果使用可编程开关频率，需在R11位置安装一个10kΩ的电阻，以降低SYNC引脚对噪声的敏感性。

输入滤波器

板载电解输入电容C1可根据应用需求选择是否移除。

UVLO编程

TPS54356内部有一个从(V{IN})到AGND的分压器，其启动和停止阈值因器件型号而异。若要设置不同的阈值，可以通过选择R6和R7的值来实现，计算公式如下： [R 6=frac{V{I( start )} × R 7}{ UVLO(start) }-R 7] [V_{I( stop )}=frac{(R 6+R 7) × 1.02}{R 7}] 通常，R7取值为1kΩ较为合适。

同步功能

该评估模块支持与TPS5435X系列的其他器件进行同步操作。当RT引脚接地或浮空，将开关频率设置为250或500kHz时，SYNC引脚作为输出；当RT引脚通过电阻接地设置可编程工作频率时，SYNC引脚作为输入，且为下降沿触发。通过J3接头可访问SYNC信号，若将SYNC信号配置为输入，R11应端接一个10kΩ的电阻。

延长软启动时间

通过在评估模块的R12和C6位置安装元件，可以延长软启动时间。R12必须为2kΩ，C6必须小于0.47µF。C6的值可根据所需的软启动时间通过以下公式计算： [C6 (mu F)=5.5 × 10^{-3} × 0.818 × T_{S S}(m s)] 需要注意的是，该公式仅适用于TPS54356。若评估模块修改为不同的输出电压，需参考产品数据表（SLVS519）获取设置软启动时间的更多信息。

无低侧FET操作

TPS54356EVM - 058可以使用续流二极管代替外部低侧FET进行操作。PCB背面提供了续流二极管D1的焊盘，Motorola MBRS340T3适用于此应用。

四、测试设置与结果

输入输出连接

评估模块配备了输入/输出连接器和测试点。应使用能够提供4A电流的电源通过一对20 - AWG电线连接到J1，负载通过一对20 - AWG电线连接到J2，最大负载电流能力为3A。为减少电线损耗，应尽量缩短电线长度。测试点TP4和TP5用于监测输入电压，TP3和TP6用于监测输出电压。

效率测试

评估模块的效率在负载电流约为1至2A时达到峰值，随后随着负载电流接近满载而下降。较高的环境温度会因MOSFET的漏源电阻温度变化而降低效率，700kHz的开关频率下效率略低于较低开关频率，这是由于MOSFET的栅极和开关损耗所致。

输出电压调节

输出电压的负载调节和线路调节特性在环境温度为25°C时进行了测量。负载调节反映了负载变化时输出电压的稳定性，线路调节则体现了输入电压变化对输出电压的影响。

负载瞬态响应

当负载电流从25%到75%的最大额定负载变化时，评估模块的输出电压会出现一定的波动，包括纹波和噪声。

环路特性

通过测量不同输入电压下的增益和相位曲线，可了解评估模块的环路响应特性。

输出和输入电压纹波

在输入电压为12V、输出电流为额定满载3A的情况下，测量了输出和输入电压的纹波情况。

上电和下电过程

上电时，当输入电压达到内部设置的UVLO阈值电压4.49V时，输出电压开始以内部设置的软启动速率线性上升至3.3V，当输出达到预设最终值的97%时，PWRGD信号置高。下电时，当输入电压降至停止电压阈值3.69V时，调节器关闭，输出电压开始向0V衰减，PWRGD信号在输出电压超出调节范围时置低。

五、电路板布局

评估模块的电路板布局采用典型的用户应用方式。顶层包含(VIN)、(OUT)和(PHASE)的主要电源走线，以及TPS54356其余引脚的连接和大面积的接地区域。底层包含接地和(V_{OUT})铜区以及一些信号布线。顶层和底层的接地走线通过多个过孔连接，其中10个过孔直接位于TPS54356器件下方，为PowerPAD焊盘提供了到地的热路径。输入去耦电容、偏置去耦电容和自举电容都尽可能靠近IC放置，补偿组件也保持与IC的近距离，补偿电路连接到调节点的输出电压，紧邻高频旁路输出电容。

六、总结

TPS54356EVM - 058评估模块为电子工程师提供了一个全面的平台，用于评估TPS54356直流 - 直流转换器的性能。通过对输出电压、开关频率、UVLO等参数的灵活修改，以及对各项性能指标的测试，工程师可以深入了解该器件的特性，为实际应用中的电源设计提供有力的参考。你在使用类似评估模块时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。