TPS54310EVM 评估模块：设计与性能全解析

在电子工程师的日常工作中，一款性能出色的评估模块能够极大地提升设计效率和产品质量。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）的 TPS54310EVM 评估模块，看看它在电源设计领域能为我们带来哪些惊喜。

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一、重要须知

在开始使用 TPS54310EVM 之前，有几个重要的注意事项需要我们了解。TI 保留对其产品和服务进行更改和停产的权利，所以在下单前一定要获取最新信息。同时，这款评估套件仅用于工程开发或评估目的，不适合商业使用，它可能在设计、营销和制造相关的保护方面存在不足，也可能不符合欧盟电磁兼容性指令。

如果评估套件不符合用户指南中的规格，可以在交付日期起 30 天内退货全额退款。用户需要承担产品正确安全处理的责任，并对 TI 因产品处理或使用产生的所有索赔进行赔偿。而且，收到的产品可能未通过相关监管认证，由于产品结构开放，用户要注意静电放电防护。

二、模块概述

2.1 背景

TPS54310EVM 使用 TPS54310 同步降压调节器，能在 4.0 V 至 6.0 V 的输入范围内提供 3.3 V 的输出，负载范围为 0 A 至 3 A。其电路的电气组件仅占用不到 0.55 平方英寸的电路板空间，还设有额外的焊盘支持多个输入和输出电容器。通过跳线可以轻松将开关频率从 350 kHz 更改为 550 kHz。

值得一提的是，TPS54310 的 MOSFET 集成在封装内，无需外部 MOSFET 及其相关驱动器。低导通电阻的 MOSFET 使模块具有高效率，有助于在高输出电流时保持较低的结温。外部的补偿组件可实现输出电压的调整和定制化的环路响应。

2.2 性能规格总结

在环境温度为 25°C 时，TPS54310EVM 的性能规格如下：	项目	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输出电压设定点	VIN = 5 V	-	-	3	V
负载调节	-	-7	-	7	mV
负载瞬态响应	lo = 0 A 至 3 A	30t	-	-	mVPK
	-	-	120	200	us
输出纹波电压	-	-	-	-	mVPP
输出上升时间	VIN = 5V, IO = 1A	640	3.6	760	-

三、模块修改

3.1 通用修改

TPS54310EVM 旨在展示 TPS54310 电气组件占用的小电路板空间。我们可以通过替换 L1 为不同的电感器，或使用 C2 和 C11 的可选焊盘来评估不同的输出滤波器。但在更改输出滤波器时，必须同时更改补偿值以确保稳定性。可以使用 SWIFT Designer 软件工具或 TI 应用笔记 SLVA109 来辅助计算补偿组件，这两个工具都可以在 TI 网站上下载。

3.2 开关频率

TPS54310 默认开关频率为 700 kHz。我们可以通过移除频率微调电阻 R3，并将跳线 JP1 上的分流器放置在适当位置，轻松将其配置为 350 kHz 或 550 kHz。此外，通过改变 RT（R3）的值，可以将开关频率微调至 280 kHz 至 700 kHz 之间的任何值，频率与 RT 值的关系可参考图 1 - 1。

3.3 输出电压

通过改变一个组件值（R4），可以将 TPS54310EVM 的输出电压调整至低至 0.9 V。特定输出电压下 R4 的值可以通过公式 (R{4}=10 k Omega × frac{0.891 V}{V{O}-0.891 V}) 计算得出。常见总线电压对应的 R4 值如下表所示：	输出电压 (V)	R4 (kΩ)
0.9	1000
1.2	28.7
1.5	14.7
1.8	9.76
2.5	5.49
3.3	3.74

3.4 慢启动

通过改变 C1 的值可以修改 EVM 的慢启动时间。特定慢启动时间下 C1 的值可以通过公式 (C{1}=frac{T{SS} × 5 mu A}{0.891 V}) 计算。当 C1 开路时，慢启动时间通常为 3.6 ms，且慢启动时间不能短于 3.6 ms。

3.5 改善瞬态响应

反馈补偿组件 R2、R4、R5、R6、C4、C5 和 C6 是根据 SWIFT Designer 软件工具的输出选择的，这使得模块的单位增益带宽为 30 kHz，相位裕度为 95°。使用原理图中的补偿，TPS54310EVM 能在 30 µs 内响应 3 - A 的负载瞬态。如果需要更快的响应时间，可以更改反馈补偿组件的值。采用表 1 - 3 中的值，单位增益带宽可提高到 75 kHz，相位裕度为 72°，在 3 - A 负载瞬态期间，输出电压能保持在 ±2% 的调节范围内。

参考编号	组件值
R2	15 k Ω
R4	3.74 k Ω
R5	10 k Ω
R6	1.78 k Ω
C4	33 pF
C5	1000 pF
C6	1500 pF

四、测试设置与结果

4.1 输入/输出连接

TPS54310EVM 有四个输入/输出连接：J1（ (V{in }) 和 GND）和 J3（ (V{out }) 和 GND）。使用一对 20 AWG 电线将能够提供 3 A 电流的电源连接到 J1，将负载通过另一对 20 AWG 电线连接到 J3。尽量缩短电线长度以减少电线中的损耗。测试点 TP8 方便连接示波器电压探头来监测输出电压。

4.2 环路特性设置

模块在反馈路径中包含一个 49.9 Ω 的电阻（R7），用于测量环路响应。R7 两侧的测试点（TP5 和 TP7）为网络分析仪信号提供连接点。通过在 R7 两端注入一个小交流信号，可以测量从 R7 一侧到另一侧的环路增益和相位。由于 R7 的值相对于 R5 较小，它不会显著影响调节器的输出电压设定点。

4.3 效率

TPS54310EVM 的效率在负载电流约为 1 A 时达到峰值，满载时效率降至约 90.5%。在 5 - V 输入和 25°C 环境温度下的典型效率如图 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；较低的开关频率由于 MOSFET 的栅极和开关损耗较小，效率会略高。总电路板损耗如图 2 - 3 所示。

4.4 热性能

在 5 - V 输入电压和 25°C 环境温度下，结温与负载电流的关系如图 2 - 4 所示。PWP 封装的低结壳热阻和良好的电路板布局有助于在高输出电流时保持较低的结温。在 5 - V 输入源和 3 - A 负载下，结温约为 47°C。

4.5 输出电压调节

在 5 - V 输入和 25°C 环境温度下，输出电压负载调节情况如图 2 - 5 所示。在 0 A 至 3 A 的负载范围内，输出电压变化小于 0.2%。

4.6 负载瞬态

TPS54310EVM 对负载瞬态的响应如图 2 - 6 所示，负载瞬态在 0 A 和 3 A 之间转换。由于这些瞬态，输出电压从其平均值偏离约 - 95 mV（ - 2.9%）和 75 mV（2.3%）。在图 2 - 6 中，输出电压在 30 µs 内回到 ±2% 的调节范围内。使用 1.3.5 节中描述的替代反馈补偿，输出电压偏差可减小至 - 55 mV（ - 1.7%）和 45 mV（1.4%），如图 2 - 7 所示，在负载瞬态期间输出电压能保持在 ±2% 的调节范围内。

4.7 环路特性

在 5.0 - V 输入和 3.0 - A 负载下，环路增益和相位如图 2 - 8 所示，环路交叉频率约为 30 kHz，相位裕度约为 75°。使用 1.3.5 节中描述的替代补偿时，环路响应如图 2 - 9 所示，环路交叉频率约为 75 kHz，相位裕度约为 72°。

4.8 输出电压纹波

在 5.0 - V 输入电压和 3 A 负载电流下，输出纹波电压如图 2 - 10 所示。TPS54310EVM 的典型输出电压纹波小于 (33 mV_{pp})。降低开关频率会使输出纹波电压升高，使用更大的电感器或降低输出电容器的等效串联电阻可以降低输出纹波电压，但更改这些组件需要重新设计反馈补偿。

4.9 输入纹波电压

3 - A 负载下的输入纹波电压如图 2 - 11 所示。在 5.0 - V 输入电压下，输入纹波约为 (120 mV_{pp})。通过增加输入电容可以降低输入纹波电压。

4.10 启动

当 C1 开路时，TPS54310EVM 的启动电压波形如图 2 - 12 所示。输入电压显示在通道 3，输出电压显示在通道 1，电源良好信号显示在通道 2。一旦输入电压超过 2.9 - V 启动阈值，输出电压在 3.6 ms 内线性上升至 3.3 V。当输出电压达到最终值时，开漏电源良好信号变为高电平。可以使用外部慢启动电容器 C1 来延长启动时间，具体编程方法可参考 1.3.4 节。需要注意的是，不要使用 J2 上的短路跳线来启用 EVM，因为这可能会在 SS/ENA 引脚上引起过大的电压瞬变，应使用外部使能信号代替。

五、电路板布局

TPS54310EVM 的顶层布局如图 3 - 1 所示，输入电容器（C8 和 C9）、偏置去耦电容器（C3）和自举电容器（C7）都尽可能靠近 IC。反馈补偿组件也靠近 IC，补偿电路在调节点（TP7）与输出电压相连。

该模块的印刷电路板（PWB）由两层 1.5 oz. 铜组成。顶层的下半部分用作电源接地平面，底层用作安静（模拟）接地平面。两个接地平面在 U1 处相连，以减少两个 IC 接地连接之间注入的噪声。总共使用了 10 个过孔将 TPS54310 器件下方的散热焊盘区域连接到电路板背面的散热平面。

六、原理图与物料清单

6.1 原理图

TPS54310EVM 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连接方式，为工程师进行电路分析和修改提供了重要依据。

6.2 物料清单

TPS54310EVM 的物料清单如下表所示，详细列出了每个组件的数量、参考编号、描述、尺寸、制造商和零件编号。	数量	参考编号	描述	尺寸	制造商	零件编号
1	C1	开路	603	-	-
1	C11	陶瓷电容器，1000 pF，25 V，X7R，10%	603	Vishay	VJ0603Y102KXXAT
2	C2, C10	开路	7343 (D)	-	-
1	C3	陶瓷电容器，0.1 µ F，25 V，X7R，10%	603	Vishay	VJ0603Y104KXXMT
1	C4	陶瓷电容器，100 pF，50 V，C0G，5%	603	Vishay	VJ0603A101KXAAC
1	C5	陶瓷电容器，3900 pF，50 V，X7R，10%	603	Vishay	VJ0603Y392KXAAB00
1	C6	陶瓷电容器，2700 pF，50 V，X7R，10%	603	Vishay	VJ0603Y272KXAAB00
1	C7	陶瓷电容器，0.047 µ F，25 V，X7R，10%	603	Vishay	VJ0603Y473KXXAB00
1	C8	陶瓷电容器，10 µ F，10 V，X5R，20%	1210	Panasonic	ECJ–4YB1A106K
1	C9	特种聚合物电容器，180 µ F，4 V，20%	7343	Panasonic	EEF–UEG181R
2	J1, J3	2 针端子块，6 A，3.5 mm	0.27 x 0.25	OST	ED1514
1	J2	4 针插头，100 mil 间距，(36 - 针条)	0.100 x 4	Sullins	PTC36SAAN
1	JP1	3 针插头，100 mil 间距，(36 - 针条)	0.100 x 3	Sullins	PTC36SAAN
1	L1	贴片电感器，1.2 µ H，4.4 A，17–m Ω	-	Coilcraft	DO1813P–122HC
1	R1	贴片电阻，10 k Ω，1/16 W，1%	603	Vishay	CRCW060310K0FKSF
1	R2	贴片电阻，3.74 k Ω，1/16 W，1%	603	Vishay	CRCW06033K74FKTA
1	R3	贴片电阻，71.5 k Ω，1/16 W，1%	603	Vishay	CRCW060371K5FKTA
1	R4	贴片电阻，3.74 k Ω，1/16 W，0.1%	603	Vishay	TNPW06033741BT9RT
1	R5	贴片电阻，10 k Ω，1/16 W，0.1%	603	Vishay	TNPW060310K0BETAR2
1	R6	贴片电阻，732 Ω，1/16 W，1%	603	Vishay	CRCW0603732RFKTA
1	R7	贴片电阻，49.9 Ω，1/16 W，1%	603	Vishay	CRCW060349R9FKSF
5	TP1, TP3–TP5, TP7	红色测试点，1 mm	0.038”	Farnell	240–345
2	TP2, TP6	黑色测试点，1 mm	0.038”	Farnell	240–333
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