TPS5430EVM - 342评估模块：2.25A反相降压 - 升压调节器的详细解析

在电子工程领域，电源管理是一个至关重要的环节。今天，我们将深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的TPS5430EVM - 342评估模块，这是一款用于2.25A反相降压 - 升压调节器的评估工具，它为工程师们提供了一个便捷的平台来测试和验证TPS5430芯片的性能。

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一、背景信息

1.1 TPS5430芯片特性

TPS5430是一款直流 - 直流转换器，能够在5.5V至36V的输入电压源下提供高达3.0A的输出电流。其开关频率内部设定为标称500kHz，内部集成了高端MOSFET和栅极驱动电路。低的漏源导通电阻有助于实现高效率，并在高输出电流时保持较低的结温。补偿组件集成在集成电路内部，通过外部分压器可实现输出电压的可调。此外，TPS5430还提供使能输入，绝对最大输入电压为24V。

1.2 参考资料

在设计过程中，工程师可以参考以下资料：

• 《Using a buck converter in an inverting buck - boost topology (SLYT283)》技术简报。
• 《Using the TPS5430 As An Inverting Buck Boost Converter (SLVA257)》应用报告。
• 《3 - A, WIDE INPUT RANGE, STEP - DOWN SWIFT™ CONVERTER (SLVS632)》TPS5430和TPS5431的数据手册。

1.3 性能规格总结

TPS5430EVM - 342评估模块的性能规格在特定条件下给出。例如，在输入电压(V_{IN}=12V)，输出电压为 - 5V，环境温度为25°C时，其输出电流范围为0至2.25A，负载调节率为±0.02%，负载瞬态响应的电压变化在特定电流变化下为±50mV，恢复时间为120ms等。具体规格如下表所示：	规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
(V_{IN})电压范围		10.8	12或15	19.8	V
输出电压设定点			- 5.0		V
输出电流范围	(V_{IN}=15V)	0		2.25	A
负载调节率	(V{IN}=3.3V)，(I{O}=0A)至3A		±0.02%
负载瞬态响应（电压变化）	(I_{O}=0.75A)至2.25A		- 50		mV
恢复时间			120		ms
负载瞬态响应（电压变化）	(I_{O}=2.25A)至0.75A		+ 50		mV
恢复时间			120		ms
环路带宽	(V{IN}=12V)，(I{O}=2A)		11.21		kHz
相位裕度	(V{IN}=12V)，(I{O}=2A)		73
输出纹波电压	(V{IN}=12V)，(I{O}=2A)		100		mVpp
输出上升时间			8		ms
工作频率			500		kHz
最大效率	(V{IN}=11V)，(V{O}=-5V)，(I_{O}=0.8A)		87%

1.4 模块修改

1.4.1 输出电压设定点

要改变评估模块的输出电压，需要改变电阻R3的值。通过公式(R 2 = 10 k Omega × frac{1.221 V}{V{O}-1.221 V})可以计算出特定输出电压对应的R3值。不过要注意，(V{IN})必须在一定范围内，以确保最小导通时间大于200ns，最大占空比小于87%。常见输出电压对应的R3标准值如下表：	输出电压 (V)	R3值 (kΩ)
- 1.8	21.5
- 2.5	9.53
- 3.3	5.90
- 5	3.24

1.4.2 输入电压范围

评估模块设计为在标称12V、15V或18V ± 10%的输入电压下工作。虽然TPS5430的输入电压范围为5.5V至36V，但由于输入旁路电容额定电压为25V，评估模块不能在此全范围内工作。此外，输入到输出的电压差不能超过输入电压的最大工作范围36V。

二、测试设置与结果

2.1 输入/输出连接

TPS5430EVM - 342配备了输入/输出连接器和测试点。应使用一对20AWG电线将能够提供3A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2.25A。为减少电线损耗，应尽量缩短电线长度。测试点TP1用于监测(V_{IN})输入电压，TP2作为接地参考；TP5用于监测输出电压，TP4作为接地参考。具体连接器和测试点功能如下表：	参考编号	功能
J1	(V_{IN})，标称12V，范围10.8V至19.8V
J2	输出， - 5V，最大2.25A
JP1	2针插头，用于使能。将EN连接到 - 5V输出以禁用，断开以启用
TP1	(V{IN})连接器处的(V{IN})测试点
TP2	(V_{IN})处的接地测试点
TP3	PH测试点
TP4	输出连接器处的接地测试点
TP5	输出连接器处的输出电压测试点
TP6	分压器网络和R1之间的测试点，用于环路响应测量

2.2 效率

TPS5430EVM - 342的效率在负载电流约为0.8A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时，效率会受到MOSFET漏源电阻温度变化的影响，环境温度越高，效率越低。

2.3 输出电压调节

在25°C环境温度下测量的输出电压负载调节情况显示，TPS5430EVM - 342能够在不同输出电流下保持较好的电压稳定性。

2.4 负载瞬态响应

当负载电流从最大额定负载的25%跃变到100%时，TPS5430EVM - 342的输出电压会有一定的波动，总峰 - 峰电压变化包含纹波和噪声。

2.5 环路特性

通过增益和相位图可以观察到TPS5430EVM - 342在不同(V_{IN})电压（10.8V和19.8V）下的环路响应特性。

2.6 输出电压纹波

在输入电压(V_{IN}=12V)，输出电流为额定满载3A时，直接测量输出电容两端的电压，可以得到输出电压纹波情况。

2.7 上电过程

从启动波形可以看到，(V_{IN})从0V充电到12V，当输入电压达到内部设定的欠压锁定（UVLO）阈值电压时，慢启动序列开始。经过一段时间延迟，内部参考电压以内部设定的慢启动速率线性上升到1.221V，输出电压也随之上升到设定的5V。可以通过在JP1处使用跳线将EN连接到GND来抑制输出。

三、电路板布局

3.1 布局特点

TPS5430EVM - 342的顶层和底层采用2盎司铜。顶层包含(V{IN})、(V{OUT})和VPHASE的主要功率走线，以及TPS5430其余引脚的连接和大面积接地。底层包含接地和一些信号布线。顶层、底层和内部接地走线通过多个过孔连接，包括TPS5430器件正下方的四个过孔，以提供从PowerPAD™焊盘到接地的热路径。输入去耦电容（C1）和自举电容（C3）尽可能靠近IC放置，电压设定点电阻分压器组件也靠近IC，分压器网络在调节点与输出电容C3相邻处连接到输出电压。

四、原理图与物料清单

4.1 原理图

TPS5430EVM - 342的原理图展示了各个组件之间的连接关系，为工程师理解电路工作原理提供了重要依据。

4.2 物料清单

物料清单详细列出了评估模块所使用的各个组件，包括电容、二极管、连接器、电感、电阻、测试点和集成电路等，具体信息如下表：	数量	参考编号	值	描述	尺寸	零件编号	制造商
2	C1, C2	10 µF	陶瓷电容，25V，X7R，10%	1210	C3225X7R1E106K	TDK
1	C3	0.01 µF	陶瓷电容，50V，X7R，10%	0603	C1608X7R1H103K	TDK
1	C4	220 µF	POSCAP电容，10V，40毫欧，20%	7343(D)	10TPB220M	Sanyo
1	D1	B340A	肖特基势垒整流二极管，3A，40V	SMA	B340A	Diodes Inc
2	J1, J2		2针端子块，6A，3.5mm	0.27 x 0.25	ED1514	OST
1	JP1		2针插头，100密耳间距（36针条）	0.100英寸 x 2	PTC36SAAN	Sullins
1	L1	15 µH	贴片电感，3.4A，41毫欧	0.405平方英寸	CDRH105R - 150	Sumida
1	R1	0 Ω	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
1	R2	10.0 kΩ	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
1	R3	3.24 kΩ	贴片电阻，1/16W，5%	0603	Std	Std
4	TP1, TP3, TP5, TP6		红色通孔测试点，颜色编码	0.100 x 0.100英寸	5000	Keystone
2	TP2, TP4		黑色通孔测试点，颜色编码	0.100 x 0.100英寸	5001	Keystone
1	U1	TPS5430	开关降压调节器IC，5.5V - 36V，3A	SO8[DDA]	TPS5430DDA	TI
1		PCB，1.3英寸 x 2.35英寸 x 0.062英寸			HPA136	Any
1		分流器，100密耳，黑色		0.100	929950 - 00	3M

五、注意事项

5.1 操作范围

必须在10.8V至19.8V的输入电压范围和固定的 - 5V输出电压范围内操作评估模块，超出指定范围可能导致意外操作和/或对评估模块造成不可逆转的损坏。如有疑问，应在连接输入电源前联系德州仪器的现场代表。

5.2 负载连接

连接负载时，应确保负载在指定的输出范围内，否则可能导致意外操作和/或对评估模块造成永久性损坏。在连接负载前，请查阅评估模块用户手册，如有不确定的负载规格，应联系德州仪器的现场代表。

5.3 温度注意

在正常操作期间，一些电路组件的外壳温度可能会超过90°C。只要保持输入和输出范围，评估模块设计为在某些组件温度高于85°C时仍能正常工作。这些组件包括但不限于线性调节器、开关晶体管、传输晶体管和电流感测电阻。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。

通过对TPS5430EVM - 342评估模块的详细分析，我们可以看到它在反相降压 - 升压调节方面的性能特点和设计要点。对于电子工程师来说，深入了解这些信息有助于更好地利用该模块进行电源管理设计，同时在操作过程中遵循注意事项，确保评估模块的正常运行和自身安全。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。