TPS54350 降压转换器评估模块用户指南解读

在电子设计领域，电源模块的性能和应用至关重要。今天我们来深入了解一下德州仪器（Texas Instruments）的 TPS54350 降压转换器评估模块（TPS54350EVM - 235），探讨它的特点、性能以及使用方法。

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一、引言

1.1 背景

TPS54350 是一款 DC/DC 转换器，它能从标称 12V（6V 至 18V）的输入电压源提供高达 3A 的输出电流。该评估模块旨在展示使用 TPS54350 调节器设计时可实现的小 PCB 面积，但并不反映该器件在特定设计中所能达到的高效率。其开关频率标称设置为 500kHz，允许使用相对小尺寸的 10mH 输出电感器。

TPS54350 内部集成了高端 MOSFET 以及用于外部同步 FET 的栅极驱动电路。MOSFET 低的漏源导通电阻使 TPS54350 能实现高效率，并有助于在高输出电流时保持较低的结温。补偿组件位于 IC 外部，允许调节输出电压和定制环路响应。此外，它还具备可编程欠压锁定、双向同步、可调开关频率、使能和电源良好功能等特性。

EVM	输入电压范围	输出电流范围
TPS54350EVM−235	6V 至 18V	0A 至 3A

1.2 性能规格总结

在输入电压为 12V、输出电压为 3.3V（除非另有说明），环境温度为 25°C（除非另有注明）的条件下，TPS54350EVM - 235 的性能规格如下：	规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压范围	-	8.0	12.0	18	V
输出电压设定点	-	-	3.3	-	V
输出电流范围	VI = 3V 至 5.5V	0	-	3	A
线性调整率	IO = 0–3A，VI = 6V 至 18V	-	-	±1%	-
负载调整率	VI = 12V，IO = 0A 至 3A	-	-	±0.05%	-
电压变化	IO = 0.75A 至 2.25A	-	-	-10mVPK	-
恢复时间	IO = 0.75A 至 2.25A	-	60	-	μs
负载瞬态电压范围	IO = 2.25A 至 0.75A	-	-	11mVPK	-
恢复时间	IO = 2.25A 至 0.75A	-	60	-	μs
环路带宽	VI = 6V	-	28	-	kHz
相位裕度	VI = 6V	-	70	-	-
环路带宽	VI = 18V	-	32	-	kHz
相位裕度	VI = 18V	-	60	-	-
输入纹波电压	-	-	-	400mVPP	-
输出纹波电压	-	-	-	40mVPP	-
输出上升时间	-	-	2.8	-	ms
工作频率	-	-	500	-	kHz
最大效率	VI = 6.0V，VO = 3.3V，IO = 1.0A	87%	-	-	-

1.3 修改

该评估模块为了展示小尺寸设计，省略了一些允许进行大量修改的功能，但仍有部分参数可以调整。

• 输出电压设定点：通过改变 R2 的值可以在 0.9V 至 5V 的范围内改变输出电压。特定输出电压下 R2 的值可以使用公式 (R{2}=1 k Omega × frac{0.891 V}{V{O}-0.891 V}) 计算。	输出电压 (V)	R2 值 (Ω)
  1.2	2.87k
  1.5	1.47k
  1.8	976
  2.5	549
  3.3	374
  5.0	221

最小输出电压受器件最小可控导通时间（125ns）限制，可使用公式 (V{O(min )}=125 nsec × f{S} × V_{I(max )}) 近似计算。

• 开关频率：通过改变 R4 的值，开关频率可以在 250kHz 至 700kHz 之间调整。也可以通过将 RT 引脚短路到 AGND 设置为 250kHz，或者将 RT 引脚浮空设置为 500kHz。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：可以在 C1 处添加板载电解输入电容器。
• UVLO 编程：TPS54350 内部有从 VIN 到 AGND 的分压器，启动和停止阈值分别为 4.4V 和 3.7V（VIN）、1.18V 和 1.09V（UVLO）。可以使用公式 (R 6=frac{V{I( start )} × R 7}{U V L O( start )}-R 7) 和 (R 6=frac{V{I( stop )} × R 7}{U V L O( stop )}-R 7) 选择 R6 和 R7 来设置不同的阈值。
• 同步：SYNC 引脚的功能取决于 RT 引脚的配置。如果 RT 引脚开路或连接到 AGND，SYNC 引脚作为输出；如果 RT 引脚通过电阻连接到 AGND，SYNC 引脚作为输入。
• 电源良好：内部电路监控 VSENSE 输入电压，当该电压在参考电压的保护带内且无其他故障信号时，PWRGD 引脚呈现高阻抗；低电平表示故障。评估模块提供了一个 10kΩ 的外部上拉电阻（R8）、测试点 TP1 和 TP2 用于监测电源良好信号。
• 同步低端 FET：评估模块配备了外部低端 FET 作为同步降压调节器。如果需要，也可以使用外部续流二极管代替 FET。在这种模式下，电感器的最小值可以使用公式 (L(min )=frac{V{O}left(1-frac{V{O}}{V{I(max )}}right)}{f{s} × 0.6}) 计算。
• 可选输出滤波：评估模块上有可选的焊盘用于添加额外的输出滤波电容器。

二、测试设置和结果

2.1 输入/输出连接

TPS54350EVM - 235 有两个输入/输出连接器：VI（J1）和 VO（J3）。应使用一对 20AWG 电线将能够提供 5A 电流的电源连接到 J1，将负载通过一对 20AWG 电线连接到 J2，最大负载电流能力为 3A。应尽量减小电线长度以减少电线中的损耗。测试点 TP9 可方便连接示波器电压探头以监测输出电压。当使用外部电源作为 VI 源时，根据电源的输出阻抗和连接线的长度，可能需要额外的大容量电容器。

2.2 效率

TPS54350EVM - 235 的效率在负载电流约为 1A 且 (V_{1}) 为 6V 时达到峰值，然后随着负载电流接近满载而降低。对于较高的输入电压，静态损耗更大，效率在满载条件下达到峰值。需要注意的是，该设计针对小尺寸和灵活性进行了优化，并不反映使用 TPS54350 在特定应用中可能实现的高效率。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。在 500kHz 时，由于 MOSFET 的栅极和开关损耗，效率略低于较低开关频率时。

2.3 功率耗散

PWP 封装的低结壳热阻以及良好的电路板布局，使 TPS54350EVM - 235 评估模块能够在输出额定满载电流的同时保持安全的结温。在 12V 输入源和接近 4.2A 电流限制的负载下，结温约为 47°C。图 2 - 3 显示了在 25°C 时不同输入电压（6V、12V 和 18V）下的总电路损耗。

2.4 输出电压调节

图 2 - 4 显示了 TPS54350EVM - 235 的输出电压负载调节情况，图 2 - 5 显示了输出电压线性调节情况。测量是在环境温度为 25°C 下进行的。

2.5 负载瞬态

图 2 - 6 显示了 TPS54350EVM - 235 对负载瞬态的响应，电流阶跃从最大额定负载的 25% 到 75%，包括输出上的纹波和噪声在内的总峰 - 峰电压变化如图所示。

2.6 环路特性

图 2 - 7 和图 2 - 8 分别显示了 TPS54350EVM - 235 在最小和最大工作电压下的环路响应特性，包括增益和相位图。

2.7 输出电压纹波

图 2 - 9 显示了 TPS54350EVM - 235 的输出电压纹波，输入电压为 3.3V，输出电流为额定满载 3A，电压直接在输出电容器两端测量。

2.8 输入电压纹波

图 2 - 10 显示了 TPS54350EVM - 235 的输入电压纹波，输入电压为 3.3V，每个器件的输出电流为额定满载 3A。

2.9 栅极驱动

TPS54350 为同步低端 FET 提供栅极驱动信号，图 2 - 11 显示了该栅极驱动信号及其与 PHASE 信号的关系。

2.10 上电和下电

图 2 - 12 显示了 TPS54350EVM - 235 的上电电压波形，通道 1 显示标称 12V 输入电压，通道 2 显示 3.3V 输出电压上升，通道 3 显示 PWRGD 信号。图 2 - 13 显示了相应的下电波形，通道分配与上电波形相同。

三、电路板布局

3.1 布局

TPS54350EVM - 235 的电路板布局如图 3 - 1 至图 3 - 4 所示。顶层布局采用了典型的用户应用方式，针对小尺寸进行了优化。顶层和底层为 1.5oz 铜。

顶层包含 VI、VO 和 Vphase 的主要电源走线，以及 TPS54350 其余引脚的连接和大面积的接地。底层由接地平面、Vphase 区域和 Vsense 走线组成，还设有用于放置缓冲组件（R10 和 C11）和可选续流二极管（D1）的焊盘。顶层和底层的接地走线通过多个过孔连接，包括 TPS54350 器件正下方的 8 个过孔，以提供从 PowerPAD 焊盘到接地的热路径。

输入去耦电容器（C9）、偏置去耦电容器（C4）和自举电容器（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（正输出连接）连接到输出电压。

四、原理图和物料清单

4.1 物料清单

TPS54350EVM - 235 的物料清单如下表所示：	数量	参考编号	描述	尺寸	制造商	零件编号
0.335x 0.374	C1	电容器，铝质，100mF，35V，20%，FC 系列	-	Panasonic	EEVFC1V101P
1	C11	电容器，陶瓷，3300pF，50V，X7R，10%	603 std std	-	-
-	C12	电容器，铝质，xxx mF，× V，20%（UE 系列）	7343 std std	-	-
-	C5	电容器，陶瓷，xxx mF，vv V，[temp]，[tol]	805 std std	-	-
1	C2	电容器，POSCAP，100mF，6.3V，45mW，20%	-	Sanyo	6TPC100M
2	C3、C10	电容器，陶瓷，0.1mF，16V，X7R，10%	603 std std	-	-
1	C4	电容器，陶瓷，1.0mF，16V，X7R，10%	1206 std std	-	-
1	C6	电容器，陶瓷，82nF，16V，X7R，10%	603 std std	-	-
1	C7	电容器，陶瓷，1800pF，50V，X7R，10%	603 std std	-	-
1	C8	电容器，陶瓷，33nF，50V，X7R，10%	603 std std	-	-
1	C9	电容器，陶瓷，10mF，25V，X5R，20%	1210	Taiyo Yuden	TMK325BJ106MN
1	D1	二极管，肖特基，3A，40V	SMC	Motorola	MBRS340T3
2	J1、J2	端子块，2 引脚，6A，3.5mm	75525	OST	ED1514
1	L1	电感器，SMT，10mH，8A，20mW	0.51 × 0.51	Vishay	IHLP—5050CZ
1	Q1	晶体管，MOSFET，N 沟道，11.5A，30V，9.5mW	0.160 × 0.130	Fairchild	FDR6674A
1	R1	电阻器，芯片，1.00kΩ，1/16W，1%	603 std std	-	-
1	R10	电阻器，芯片，4.7Ω，1/2W，5%	2010 std std	-	-
1	R2	电阻器，芯片，374Ω，1/16W，1%	603 std std	-	-
1	R3	电阻器，芯片，768Ω，1/16W，1%	603 std std	-	-
-	R4、R6、R7、R11	电阻器，芯片，xxΩ，1/16W，1%	603 std std	-	-
1	R5	电阻器，芯片，137Ω，1/16W，1%	603 std std	-	-
1	R8	电阻器，芯片，10.0kΩ，1/16W，1%	603 std std	-	-
1	R9	电阻器，芯片，0Ω，1/16W，1%	603 std std	-	-
4	TP1、TP3、TP4、TP8	测试点，红色，1mm	0.038	Farnell	24