深入解析TPS54372EVM - 215评估模块

在电子设计领域，电源管理模块的性能和特性对于整个系统的稳定运行至关重要。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的TPS54372EVM - 215评估模块，了解其性能、特点以及使用过程中的注意事项。

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1. 模块概述

TPS54372EVM - 215评估模块采用了TPS54372跟踪/终止同步降压调节器，能够从标称3.3V或5V的输入提供输出电压 (V{TTQ})，且 (V{TTQ}) 为 (V_{DDQ}) 电压的一半。该模块的额定输入电压范围为3V至6V，输出电流范围为 - 3A至3A。其设计旨在展示使用TPS54372调节器时可实现的小PCB面积。开关频率标称设置为700kHz，允许使用小尺寸的1.0µH输出电感器。此外，TPS54372的MOSFET集成在封装内部，无需外部MOSFET及其相关驱动器，低的漏源导通电阻使模块具有高效率，并有助于在高输出电流时保持较低的结温。外部补偿组件则为选择输出滤波组件电压和定制环路响应提供了灵活性。

2. 性能规格

2.1 输入输出范围

EVM	输入电压范围	输出电流范围
TPS54372EVM–215	3 V to 6 V	–3 A to 3 A

2.2 详细性能指标

在环境温度为25°C的条件下，TPS54372EVM - 215的性能规格如下：

• 线性调整率：在 (I_O = 0 - 6A) 时，为2.3mV。
• 负载瞬态响应：当 (I_O) 从2.25A到0A，(t_f = 1µs) 时，为50µs。
• 开关频率：在 (V_1 = 3V) 时为85kHz，部分情况为130kHz。
• 输出纹波电压：在20MHz带宽限制下，为18 - 130mVPP。
• 最大效率：可达83.4%。

3. 模块修改

3.1 输出电压设置

通过改变J3处的 (V{DDQ}) 电压输入，可将输出电压 (V{TTQ}) 设置在 (V1) 的6%至1.75V范围内，且 (V{TTQ}) 会跟踪 (V_{DDQ}) 电压的一半。下限由TPS54372的最小导通时间设定，上限由内部电压参考设定。虽然使用TPS54372的设计中可实现高达 (V_1) 的90%的更大输出电压，但该评估模块不支持。

3.2 开关频率调整

通过改变R5的值，可将开关频率调整到280kHz至700kHz之间。降低开关频率会增加输出纹波，除非增加L1的值。频率与电阻值的关系可参考图1 - 1（频率微调电阻选择图）。

4. 测试设置与结果

4.1 输入输出连接

SLVP215有六个输入输出连接点，包括输入、输入返回、输出 (V{TTQ})、输出返回、跟踪输入 (V{DDQ}) 和跟踪输入返回。应使用能够提供5A的电源通过一对20AWG电线连接到J1，负载通过一对20AWG电线连接到J2，最大负载电流为±3A。测试点TP7可方便连接示波器电压探头以监测输出电压。

4.2 效率

SLVP215的效率在负载电流约为1.5A时达到峰值，随后随着负载电流接近满载而降低。在环境温度为25°C、5V输入的情况下，效率如图2 - 2所示。由于MOSFET的漏源电阻随温度变化，环境温度升高时效率会降低。此外，由于MOSFET的栅极和开关损耗，700kHz时的效率略低于较低开关频率时的效率。

4.3 功率耗散

PWP封装的低结壳热阻和良好的电路板布局，使SLVP215评估模块在输出额定满载电流时能保持安全的结温。在5V输入源和3A负载的情况下，结温约为60°C，壳温约为55°C。25°C时的总电路板损耗如图2 - 3所示。

4.4 输出电压调节

输出电压的负载调节和线性调节分别如图2 - 4和图2 - 5所示，测量是在环境温度为25°C的条件下进行的。

4.5 负载瞬态响应

SLVP215对负载瞬态的响应如图2 - 6和图2 - 7所示，图2 - 6中的电流阶跃为0至2.25A，图2 - 7中的电流阶跃为 - 1.5A至1.5A（从吸收到提供），输出的总峰 - 峰电压变化包括纹波和噪声。

4.6 环路特性

SLVP215的环路响应特性如图2 - 8和图2 - 9所示，展示了在最小和最大工作电压下的增益和相位图，输出电流为1.5A。

4.7 输出电压纹波和输入电压纹波

输出电压纹波和输入电压纹波分别如图2 - 10和图2 - 11所示，输入电压为5V，输出电流为额定满载电流3A。

4.8 启动

SLVP215的启动电压波形如图2 - 12所示，输入电压超过2.9V启动电压阈值后，约有9ms的延迟，输出电压才开始上升到最终值1.25V。输出电压跟踪内部和外部慢启动电压中的较大值，这解释了斜坡率的变化。

5. 电路板布局

SLVP215的电路板布局如图3 - 1至图3 - 3所示。其布局方式类似于典型应用中的层叠结构，顶层和底层为1.5oz铜。顶层包含 (V_I)、(VO)、(V{phase}) 的主电源走线，以及TPS54372其余引脚的连接和大面积的接地区域。底层完全是接地平面，通过过孔与顶层接地区域相连，包括TPS54372器件正下方的10个过孔，为PowerPAD焊盘提供到地的热路径。输入去耦电容（C4和C8）、偏置去耦电容（C9）和自举电容（C6）都尽可能靠近IC放置，补偿组件也靠近IC，以减少噪声拾取。补偿电路在调节点连接到输出电压，并通过宽走线连接到输出连接器（J2）。

6. 原理图和物料清单

6.1 原理图

SLVP215的原理图如图4 - 1所示，它清晰地展示了模块的电路结构和元件连接方式。

6.2 物料清单

SLVP215的物料清单详细列出了所需的元件，包括电容、电阻、电感、连接器、测试点等，具体信息如下：	Count	Ref Des	Description	Size	MFR	Part Number
1	C1	Capacitor, ceramic, 12 pF, 50 V, NPO, 5%	603	Panasonic	ECU - V1H120JCV
1	C11	Capacitor, ceramic, 1 µF, 16 V, X7R, 10%	1206	Panasonic	ECJ - 3YB1C105K
2	C12, C13	Capacitor, ceramic, 0.1 µF, 25 V, X7R, 10%	603	Panasonic	ECJ - 2VB1E104K
1	C2	Capacitor, ceramic, 470 pF, 50 V, X7R, 10%	603	Panasonic	ECU - V1H471KBV
1	C3	Capacitor, ceramic, 1500 pF, 50 V, X7R, 10%	603	Panasonic	ECJ - 1VB1H152K
2	C4, C8	Capacitor, ceramic, 10 µF, 10 V, X5R, 20%	1210	Taiyo Yuden	LMK325BJ106MN
1	C5	Capacitor, ceramic, 3300 pF, 50 V, X7R, 10%	603	Panasonic	ECJ - 1VB1H332K
1	C6	Capacitor, ceramic, 0.047 µF, 25 V, X7R, 10%	603	Panasonic	ECJ - 2VB1E473K
2	C7, C10	Capacitor, polymer aluminum, 150 µF, 6.3 V	62100	Cornell Dubilier	ESRE151MO6R
1	C9	Capacitor, ceramic, 1 µF, 10 V, X5R, 20%	603	TDK	C1608X5R1A105K
2	J1, J2	Terminal block, 2 pin, 6 A, 3,5 mm	75525	OST	ED1514
1	J3	Header, 2 pin, 100 mil spacing, (36 pin strip)	23100	Sullins	PTC36SAAN
1	L1	Inductor, SMT, 1 µH, 8.5 A, 10 mΩ	0.270 sq	Vishay	IHLP - 2525CZ - 01
3	R1, R6, R7	Resistor, chip, 10 kΩ, 1/16 W, 1%	603	Std	Std
1	R2	Resistor, chip, 36.51 kΩ, 1/16 W, 1%	603	Std	Std
1	R3	Resistor, chip, 1.21 kΩ, 1/16 W, 1%	603	Std	Std
1	R4	Resistor, chip, 24 Ω, 1/8 W, 1%	1206	Std	Std
1	R5	Resistor, chip, 71.5 kΩ, 1/16 W, 1%	603	Std	Std
4	TP1, TP3, TP6, TP8	Test point, black, 1 mm 0.038″, 6400″		Farnell	240 - 333
4	TP1, TP3, TP5, TP9	Test point, red, 1 mm 0.038″, 6400″		Farnell	240 - 345
1	TP7	Adaptor, 3,5 mm probe clip (or 131 - 5031 - 00)	72900	Tektronix	131 - 4244 - 00
1	U1	IC PWP20		TI	TPS54372PWP

7. 注意事项

7.1 操作范围

务必在EVM用户指南规定的输入和输出电压范围内操作该评估模块。超过指定的输入范围可能导致意外操作和/或对EVM造成不可逆转的损坏。如果对输入范围有疑问，请在连接输入电源之前联系TI现场代表。施加超出指定输出范围的负载可能导致意外操作和/或对EVM造成永久性损坏。在连接任何负载到EVM输出之前，请参考EVM用户指南。如果对负载规格不确定，请联系TI现场代表。

7.2 温度问题

在正常运行期间，一些电路组件的外壳温度可能会超过55°C。只要保持输入和输出范围，EVM设计为在某些组件温度高于60°C时仍能正常运行。这些组件包括但不限于线性稳压器、开关晶体管、功率晶体管和电流感测电阻器。可使用EVM用户指南中的EVM原理图识别这些设备。在操作过程中，将测量探头靠近这些设备时，要注意它们可能会很烫。

7.3 安全责任

用户对产品的正确和安全处理承担全部责任和义务。此外，用户需赔偿TI因产品处理或使用而产生的所有索赔。请注意，收到的产品可能不符合法规要求或未获得相关机构认证（如FCC、UL、CE等）。由于产品采用开放式结构，用户有责任采取一切适当的静电放电预防措施。

总之，TPS54372EVM - 215评估模块为电子工程师提供了一个很好的平台来评估TPS54372调节器的性能。在使用过程中，我们需要充分了解其性能特点、操作范围和注意事项，以确保模块的正常运行和系统的稳定性。大家在实际应用中是否遇到过类似模块的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。