TPS54394 降压转换器评估模块使用指南

一、引言

在电子电路设计中，电源模块的性能至关重要。TPS54394 是一款双路、自适应导通时间、D - CAP2™ 模式的同步降压转换器，它所需的外部元件数量较少。其 D - CAP2 控制电路针对低 ESR 输出电容器（如 POSCAP、SP - CAP 或陶瓷类型）进行了优化，具有快速瞬态响应且无需外部补偿的特点。内部设定的开关频率标称值为 700 kHz，高侧和低侧开关 MOSFET 以及栅极驱动电路都集成在 TPS54394 封装内。MOSFET 较低的漏源导通电阻使 TPS54394 能够实现高效率，并有助于在高输出电流时保持较低的结温。此外，它还具备自动跳过的 Eco - mode™ 操作，可提高轻载效率。

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TPS54394 双路 DC/DC 同步转换器设计用于从 4.5 V 至 18 V 的输入电压源在 CH1 和 CH2 上提供高达 3 A 的输出，输出电压范围为 0.76 V 至 7 V。TPS54394 EVM 评估模块是一款双路同步降压转换器，在 CH1 上以 3 A 输出 3.3 V，在 CH2 上以 3 A 输出 1.5 V，输入电压范围为 5 V 至 18 V。

通道	输入电压范围	输出电压	输出电流范围
CH1	6 V 至 18 V	3.3 V	0 A 至 3 A
CH2	5 V 至 18 V	1.5 V	0 A 至 3 A

二、性能规格总结

1. 性能参数

在输入电压 (V_{INx}=12 V)，输出电压为 3.3 V 和 1.5 V（除非另有说明），环境温度为 25°C（除非另有说明）的条件下，TPS54394EVM 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 ((V_{INx}))	-	12	-	18	V
输出电压 (V_{OUT1})	-	-	3.3	-	V
输出电压 (V_{OUT2})	-	-	1.5	-	V
工作频率	(V{IN1}, V{IN2} = 12 V)，(I{OUT1}, I{OUT2} = 1.5 A)	-	700	-	kHz
输出电流范围 CH1	-	0	-	3	A
输出电流范围 CH2	-	0	-	3	A
线路调整率 (V_{OUT1})	(I{OUT1} = 1.5 A)，(I{OUT2} = 0 A)，(V{IN1}, V{IN2}= 6 V) 至 18 V	-	+ 0.3, – 0.5%	-	-
线路调整率 (V_{OUT2})	(I{OUT2} = 1.5 A)，(I{OUT1} = 0 A)，(V{IN1}, V{IN2}= 5 V) 至 18 V	-	+ 0.2, – 0.4%	-	-
负载调整率 (V_{OUT1})	(V{IN1}, V{IN2} = 12 V)，(I_{OUT1} = 0 A) 至 3 A	-	+ 0.65, – 0.05%	-	-
负载调整率 (V_{OUT2})	(V{IN1}, V{IN2} = 12 V)，(I_{OUT2} = 0 A) 至 3 A	-	+ 0.6, – 0.05%	-	-
过流限制 (V_{OUT1})	(V_{IN1} = 12 V)，(L1 = 2.2 µH)	3.5	4.7	6.5	A
过流限制 (V_{OUT2})	(V_{IN2} = 12 V)，(L1 = 2.2 µH)	3.5	4.7	6.5	A
输出纹波电压 (V_{OUT1})	(V{IN1} = 12 V)，(I{OUT1} = 3 A)	-	-	15	mVPP
输出纹波电压 (V_{OUT2})	(V{IN2} = 12 V)，(I{OUT2} = 3 A)	-	-	25	mVPP
最大效率 (V_{OUT1})	(V{IN1} = 6 V)，(I{OUT1}= 0.7 A)	-	94.9%	-	-
最大效率 (V_{OUT2})	(V{IN2} = 5 V)，(I{OUT2}= 0.7 A)	-	90.3%	-	-

三、模块修改

1. 输出电压设定点

若要改变 EVM 的输出电压，需要改变反馈分压器的上拉电阻 R1 或 R3 的值。可参考图 5 - 1 中的顶层组件来定位靠近输出连接器的电阻。改变 R1 或 R3 的值可以将输出电压改变到 0.765 V 以上。对于特定输出电压，R1 或 R3 的值可以使用以下公式计算： 对于 0.76 V 至 7 V 的输出电压： [V{OUT 1}=0.765 V timesleft(1+frac{R 1}{R 2}right) ; V{OUT 2}=0.765 V timesleft(1+frac{R 3}{R 4}right)] 表 3 - 1 列出了一些常见输出电压对应的 R1 或 R3 值。对于 1.8 V 或更高的输出电压，可能需要一个前馈电容器（C21 或 C20）来改善相位裕度，印刷电路板上提供了该组件（C21 或 C20）的焊盘。需要注意的是，表 3 - 1 中给出的电阻值是标准值，并非使用上述公式计算出的精确值。

2. 输出滤波器和闭环响应

TPS54394 依赖输出滤波器特性来确保控制环路的稳定性。表 3 - 1 给出了常见输出电压推荐的输出滤波器组件。其他输出滤波器组件值也可能提供可接受的闭环特性。R11 和 R12 方便用于断开控制环路并测量闭环响应。

四、测试设置与结果

1. 输入/输出连接

TPS54394EVM 配备了输入/输出连接器和测试点，具体如下：	参考设计器	功能
J1	(V{IN})（(V{IN}) 范围见表 1 - 1）
J2	(V_{OUT2})，1.5 V 最大 3 A
J3	(V_{OUT1})，3.3 V 最大 3 A
J4	EN1 控制。将 EN1 连接到 off 禁用转换器 1；连接到 on 启用转换器 1
J5	EN2 控制。将 EN2 连接到 off 禁用转换器 2；连接到 on 启用转换器 2
JP1	跳线，可为转换器 2 使用另一个输入电压
TP1	(V{IN}) 连接器处的 (V{IN}) 测试点
TP2	JP1 后的 (V_{IN2}) 测试点
TP3	转换器 2 的输出电压测试点
TP4	转换器 1 的输出电压测试点
TP5, TP6, TP7	输入和输出连接器处的接地测试点
TP8	EN2 测试点
TP9	EN1 测试点
TP10	转换器 1 的开关节点测试点
TP11	转换器 2 的开关节点测试点
TP12	VREG5 测试点
TP13	PG1 测试点
TP14	PG2 测试点
TP15	模拟接地测试点

2. 启动程序

启动程序如下：

1. 确保 J4、J5（启用控制）或两者的跳线都设置为从 ENx 到 off。
2. 将适当的 (V{IN}) 电压施加到 J1 的 (V{IN}) 和 PGND 端子。
3. 将 J4、J5（启用控制）或两者的跳线移动到覆盖 ENx 和 on。EVM 将启用相应的输出电压。

3. 效率

• 转换器 1 的效率：在环境温度为 25°C 时，图 4 - 1 展示了 TPS54394EVM 上转换器 1 的效率，图 4 - 2 展示了其轻载效率。
• 转换器 2 的效率：在环境温度为 25°C 时，图 4 - 3 展示了 TPS54394EVM 上转换器 2 的效率，图 4 - 4 展示了其轻载效率。

4. 负载调整率

• 转换器 1 的负载调整率：TPS54394EVM 上转换器 1 的负载调整率如图 4 - 5 所示，其负载调整率与转换器 2 的负载无关。
• 转换器 2 的负载调整率：TPS54394EVM 上转换器 2 的负载调整率如图 4 - 6 所示，对于 5 V 输入电压，转换器 2 在 EVM 上的负载调整率对转换器 1 的负载有一定依赖。

5. 线路调整率

• 转换器 1 的线路调整率：TPS54394EVM 上转换器 1 的线路调整率如图 4 - 7 所示。
• 转换器 2 的线路调整率：TPS54394EVM 上转换器 2 的线路调整率如图 4 - 8 所示。

6. 负载瞬态响应

• 转换器 1 的负载瞬态响应：TPS54394EVM 上转换器 1 对负载瞬态的响应如图 4 - 9 所示。
• 转换器 2 的负载瞬态响应：TPS54394EVM 上转换器 2 对负载瞬态的响应如图 4 - 10 所示。

7. 输出电压纹波

• 转换器 1 的输出电压纹波：TPS54394EVM 上转换器 1 在额定满载 3 A 时的输出电压纹波如图 4 - 11 所示，在 Eco - mode 无负载运行时的输出电压纹波如图 4 - 12 所示。
• 转换器 2 的输出电压纹波：TPS54394EVM 上转换器 2 在额定满载 3 A 时的输出电压纹波如图 4 - 13 所示，在 Eco - mode 无负载运行时的输出电压纹波如图 4 - 14 所示。

8. 输入电压纹波

TPS54394EVM 的输入电压纹波如图 4 - 15 所示，各通道输出电流为额定满载电流 3 A。

9. 启动

• 转换器 1 的启动：TPS54394EVM 上转换器 1 相对于 (V_{IN}) 的启动波形如图 4 - 16 所示，相对于 EN1 的启动波形如图 4 - 17 所示。
• 转换器 2 的启动：TPS54394EVM 上转换器 2 相对于 (V_{IN}) 的启动波形如图 4 - 18 所示，相对于 EN2 的启动波形如图 4 - 19 所示。

五、电路板布局

1. 布局说明

TPS54394EVM 的电路板布局如图 5 - 1 至图 5 - 6 所示。顶层包含 (V{IN}) 和 (V{OUTx}) 的主要电源走线，还有 TPS54394 的引脚连接以及大面积的接地填充。许多信号走线也位于顶层。输入去耦电容器尽可能靠近 IC 放置。输入和输出连接器、测试点以及所有组装组件都位于顶层。顶层提供了一个模拟接地（GND）区域，模拟接地（GND）和电源接地（PGND）在顶层靠近 IC 的单点连接。其他层主要是电源接地，但底层有一些走线用于连接 SSx 和 ENx 的测试点。

六、原理图、物料清单和参考资料

1. 原理图

图 6 - 1 是 TPS54394EVM 的原理图。

2. 物料清单

数量	参考编号	值	描述	尺寸	部件编号	制造商
1	C11	1 µF	陶瓷电容器，16 V，X7R，10%	0603	GRM188R71C105KA12	Murata
4	C1–2, C4–5	10 µF	陶瓷电容器，25 V，X7R，10%	1206	GRM31CR71E106KA12	Murata
0	C12–13	open	陶瓷电容器，50 V，X7R，10%	0603	GRM188R71H104KA93	Murata
4	C14–17	22 µF	陶瓷电容器，6.3 V，X7R，10%	1206	GRM31CR70J226KE19	Murata
0	C18–19	open	陶瓷电容器，6.3 V，X7R，10%	1206	-	-
0	C20–21	open	陶瓷电容器，50 V，X7R，10%	0603	Std	Std
4	C3, C6–8	0.1 µF	陶瓷电容器，50 V，X7R，10%	00603	GRM188R71H104KA93	Murata
0	C9–10	open	陶瓷电容器，50 V，X7R，10%	0603	Std	Std
0	D1–2	open	肖特基二极管，SMA	-	STD	STD
1	L1	2.2 µH	电源线电感器，磁屏蔽，±30%，4.3 A	6.9 × 7.2 mm	SPM6530 - 2R2M	TDK
1	L2	1.5 µH	电源线电感器，磁屏蔽，±30%，4.1 A	6.9 × 7.2 mm	SPM6530 - 1R5M	TDK
1	R1	73.2 kΩ	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
2	R11–12	0 Ω	贴片电阻，1/16W，5%	0603	STD	STD
2	R13–14	10.0 kΩ	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
2	R2, R4	22.1 kΩ	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
1	R3	21.5 kΩ	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
2	R5–6	0 Ω	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
2	R7–8	100 kΩ	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
0	R9–10	open	贴片电阻，1/16W，1%	0603	STD	STD
1	U1	TPS54394PWP	IC，3A/3A，双输出全同步降压转换器，集成 FET	TSSOP	TPS54394PWP	TI

当输出电压设置高于 4 V 时，C14 - C19 必须用具有更高