TPS54226 降压转换器评估模块使用指南

一、引言

大家好，今天我们来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的 TPS54226 降压转换器评估模块 TPS54226EVM - 539。这个评估模块为我们提供了一个便捷的平台，来测试和了解 TPS54226 这款同步降压转换器的性能。

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1.1 背景

TPS54226 是一款单通道、自适应导通时间的 D - CAP2™ 模式同步降压转换器，它的一大亮点是所需的外部组件数量极少。其 D - CAP2 控制电路针对低等效串联电阻（ESR）输出电容器进行了优化，像 POSCAP、SP - CAP 或陶瓷类型的电容都适用，而且具有快速瞬态响应，无需外部补偿。内部设定的开关频率标称值为 700 kHz，同时，高端和低端开关 MOSFET 以及栅极驱动电路都集成在 TPS54226 封装内。MOSFET 较低的漏源导通电阻使得 TPS54226 能够实现高效率，并且在高输出电流时有助于保持较低的结温。此外，它还有自动跳过模式，可在轻载时实现更高的效率。该 DC/DC 同步转换器设计用于从 4.5 V 至 18 V 的输入控制电压源和 2 V 至 18 V 的输入电源电压源提供高达 2 A 的输出，输出电压范围为 0.76 V 至 5.5 V。评估模块的输入电压和输出电流范围如下表所示：	EVM	输入电压范围	输出电压和电流范围
TPS54226EVM - 539	(V_{IN}=4.5 V) 至 18 V	(V_{OUT}=1.05 V)，0 A 至 2 A

1.2 性能规格总结

在输入电压 (V_{IN}=12 V)、输出电压 1.05 V（除非另有说明），环境温度 25°C（所有测量）的条件下，TPS54226EVM - 539 的性能规格总结如下：	规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压范围 ((V_{IN}))	-	4.5	12	18	V
输出电压	-	-	1.05	-	V
工作频率	(V{IN}=12 V)，(I{O}=1 A)	-	700	-	kHz
输出电流范围	-	0	-	2	A
过流限制	(V_{IN}=12 V)	-	-	3.1	A
输出纹波电压	(V{IN}=12 V)，(I{O}=2 A)	-	-	7	(mV_{PP})

1.3 修改

这个评估模块设计用于展示 TPS54226 的特性，并且可以进行一些修改。

1.3.1 输出电压设定点

要改变评估模块的输出电压，可以改变电阻 R1 的值。改变 R1 的值可以使输出电压高于 0.765 V。对于特定输出电压的 R1 值，可以使用以下公式计算：

• 输出电压从 0.76 V 到 2.5 V 时：(V_{O}=0.765 timesleft(1+frac{R 1}{R 2}right))
• 输出电压超过 2.5 V 时：(V{O}=left(0.763 + 0.0017 × V{O}right) timesleft(1+frac{R 1}{R 2}right))

部分常见输出电压对应的 R1 值如下表所示：	输出电压 (V)	R1 (kΩ)	R2 (kΩ)	C2 (pF)	L1 (µH)
1.0	6.81	22.1	2.2	-
1.05	8.25	22.1	2.2	-
1.2	12.7	22.1	2.2	-
1.8	30.1	22.1	150 – 220	3.3
2.5	49.9	22.1	68 – 100	3.3
3.3	73.2	22.1	47 – 68	3.3
5.0	121	22.1	33 – 47	4.7

对于更高的输出电压，需要一个前馈电容 C2，印刷电路板上提供了该组件的焊盘。C2 用于实现更快的负载瞬态响应，并且对于自动跳过模式的稳定性是推荐使用的。

二、测试设置和结果

2.1 输入/输出连接

TPS54226EVM - 539 配备了输入/输出连接器和测试点，具体如下表：	参考设计编号	功能
J1	(V{IN})（(V{IN}) 范围见表 1 - 1）
J2	(V_{OUT})，最大 2 A 时为 1.05 V
JP1	EN 控制。将 EN 连接到 OFF 禁用，连接到 ON 启用
TP1	(V{IN}) 连接器处的 (V{IN}) 测试点
TP2	(V_{IN}) 处的接地测试点
TP3	EN 测试点
TP4	VCC 测试点
TP5	模拟接地测试点
TP6	开关节点测试点
TP7	电源良好测试点
TP8	输出电压测试点
TP9	输出连接器处的接地测试点

需要注意的是，必须使用一对 20 AWG 电线将能够提供 2 A 电流的电源连接到 J1，负载也需通过一对 20 AWG 电线连接到 J2，最大负载电流能力为 2 A，同时要尽量缩短电线长度以减少电线中的损耗。

2.2 启动程序

启动评估模块的步骤如下：

1. 确保 JP1（启用控制）处的跳线设置为从 EN 到 OFF。
2. 将适当的 (V{IN}) 电压施加到 J1 处的 (V{IN}) 和 PGND 端子。
3. 将 JP1（启用控制）处的跳线移动到覆盖 EN 和 ON，评估模块将启用输出电压。

2.3 效率

在环境温度为 25°C 时，TPS54226EVM - 539 的效率曲线如图 2 - 1 所示。从曲线中我们可以直观地看到不同负载电流下的效率情况，大家可以思考一下，如何根据这个效率曲线来优化电源的使用呢？

2.4 负载调节

TPS54226EVM - 539 的负载调节情况如图 2 - 2 所示。负载调节反映了输出电压随负载电流变化的情况，它对于保证电源输出的稳定性至关重要。

2.5 线路调节

线路调节情况如图 2 - 3 所示。线路调节体现了输出电压随输入电压变化的特性，这有助于我们了解电源在不同输入电压下的性能。

2.6 负载瞬态响应

TPS54226EVM - 539 对负载瞬态的响应如图 2 - 4 所示，电流阶跃从 500 mA 到 1.5 A（额定负载的 25% 到 75%），我们可以看到总峰 - 峰输出电压变化情况。良好的负载瞬态响应对于应对负载的突然变化非常重要，大家可以想想在实际应用中如何利用这个特性。

2.7 输出电压纹波

输出电压纹波如图 2 - 5 所示，输出电流为额定满载 2 A。输出电压纹波是衡量电源输出质量的一个重要指标，较小的纹波意味着更稳定的输出。

2.8 输入电压纹波

输入电压纹波如图 2 - 6 所示，输出电流同样为额定满载 2 A。输入电压纹波会影响电源的整体性能，我们需要关注它对整个系统的影响。

2.9 启动

TPS54226EVM - 539 的启动波形如图 2 - 7 所示。启动过程的稳定性对于系统的正常运行至关重要，从波形中我们可以分析启动过程中的各种参数变化。

2.10 开关频率

开关频率如图 2 - 8 所示。开关频率的选择会影响电源的效率、纹波等性能指标，合理的开关频率设置对于优化电源性能非常关键。

三、电路板布局

3.1 布局

TPS54226EVM - 539 的电路板布局如图 3 - 1 至图 3 - 6 所示。顶层包含 (V{IN})、(V{O}) 和接地的主要电源走线，同时还有 TPS54226 引脚的连接以及大面积的接地填充。许多信号走线也位于顶层，输入去耦电容尽可能靠近 IC 放置。输入和输出连接器、测试点以及大多数组件都位于顶层。R3（连接 (V{IN}) 到 VCC 的 0 - Ω 电阻）和 R4（电源良好上拉电阻）位于背面。模拟接地和电源接地在顶层靠近 TPS54226 引脚 5 的单点连接。内部层 1 是包含模拟和电源接地的分割平面，内部层 2 主要是电源接地，还有 (V{IN}) 的填充区域和将 VCC 路由到启用控制跳线 JP1 的走线。底层主要是模拟接地，还有通过 R3 将 (V{IN}) 连接到 VCC 的走线、电源良好信号的走线以及从 (V{OUT}) 到电压设定点分压网络的反馈走线。合理的电路板布局对于减少干扰、提高电源性能非常重要，大家在设计类似电路板时可以参考这种布局方式。

四、原理图、物料清单和参考

4.1 原理图

TPS54226EVM 的原理图如图 4 - 1 所示。原理图是电路设计的核心，通过它我们可以清晰地了解各个组件之间的连接关系和信号流向。

4.2 物料清单

TPS54226EVM - 539 的物料清单如下表所示：	参考编号	数量	值	描述	尺寸	部件编号	制造商
C1, C3	2	10 μF	陶瓷电容器，25 V，X5R，20%	1210	C3225X5R1E106M	TDK
C11	0	开路	陶瓷电容器	1206	Std	Std
C2, C4, C8	0	开路	陶瓷电容器	0603	Std	Std
C5	1	3300 pF	陶瓷电容器，25 V，X7R，10%	0603	Std	Std
C6	1	1 μF	陶瓷电容器，16 V，X7R，10%	0603	Std	Std
C7	1	0.1 μF	陶瓷电容器，50 V，X7R，10%	0603	Std	Std
C9, C10	2	22 μF	陶瓷电容器，6.3 V，X5R，20%	1206	C3216X5R0J226M	TDK
J1, J2	2	-	2 针端子块，6 - A，3.5 mm	0.27 × 0.25 英寸	ED555/2DS	Sullins
JP1	-	-	3 针公头，100 - mil 间距	0.100 英寸 × 3	PEC03SAAN	Sullins
L1	2.2 μH	-	贴片电感器，8.4 A，17.3 毫欧	0.256 × 0.280 英寸	SPM6530T - 2R2M	TDK
R1	8.25 k	-	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
R2	1	22.1 k	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
R3	1	0	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
R4	1	100k	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
R5	0	开路	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
TP1, TP3, TP4, TP6, TP7, TP8, TP9	3	5000	红色通孔测试点，颜色编码	0.100 × 0.100 英寸	5000	Keystone
TP2, TP5, TP9	3	5001	黑色通孔测试点，颜色编码	0.100 × 0.100 英寸	5001	Keystone
U1	1	TPS54226PWP	2 - A 输出单同步降压 IC	TPS54226PWP	TI
-	-	-	分流器，100 - mil，黑色	0.100	929950 - 00	3M
-	-	-	PCB，2.76 英寸 × 1.97 英寸 × 0.062 英寸	HPA539	Any

4.3 参考

参考资料为德州仪器的 TPS54226 单同步转换器（集成高端和低端 MOS FET）数据手册。

五、修订历史

从 2009 年 11 月的版本到 2021 年 10 月的版本，主要进行了以下修订：

• 更新了整个文档中表格、图形和交叉引用的编号格式。
• 更新了用户指南的标题。
• 编辑用户指南以提高清晰度。

通过以上对 TPS54226 降压转换器评估模块的详细介绍，相信大家对其有了更深入的了解。在实际应用中，我们可以根据这些信息来优化设计，提高电源的性能和稳定性。大家在使用过程中遇到任何问题，欢迎一起交流探讨。