TPS54550 降压转换器评估模块使用指南

在电子设计领域，降压转换器是一种常见且关键的元件，它能够将较高的输入电压转换为较低的稳定输出电压，满足各种电子设备的供电需求。德州仪器（Texas Instruments）的 TPS54550 降压转换器评估模块（TPS54550EVM - 158）为工程师们提供了一个便捷的平台，用于评估和开发相关应用。本文将围绕该评估模块展开详细介绍，希望能为电子工程师们在实际设计中提供有价值的参考。

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一、背景知识

1.1 TPS54550 基本特性

TPS54550 是一款 DC/DC 转换器，能够在 4.5V 至 20V 的输入电压源下提供高达 6A 的输出电流。评估模块的额定输入电压范围为 6V 至 17V，输出电流范围为 0A 至 5A。其开关频率内部设定为标称 700kHz，并且在 TPS54550 封装内集成了高端 MOSFET 和栅极驱动电路。MOSFET 较低的漏源导通电阻使得 TPS54550 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，通过外部分压器可实现输出电压的可调，外部补偿组件则能适应广泛的输出滤波组件。同时，该转换器还提供了使能输入功能，其绝对最大输入电压为 20V。

1.2 评估模块设计目的

该评估模块旨在展示使用 TPS54550 调节器设计时所能实现的小尺寸印刷电路板面积。由于 3.3V 输出电压的要求，评估模块的最大输入电压设定为 17V。

二、性能规格总结

2.1 测试条件说明

除非另有说明，性能规格测试均在输入电压 (V_{IN}=12V)、输出电压为 3.3V、环境温度为 25°C 的条件下进行。TPS54550EVM - 158 设计并测试的输入电压范围为 6V 至 17V，其最大输入电压为 20V。

2.2 具体性能指标

规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
(V_{IN}) 电压范围	-	6	12 或 15	17	V
输出电压设定点	-	-	3.3	-	V
输出电流范围	(V_{IN}=10V) 至 17V	0	-	5	A
线性调整率	(I{O}=0 - 2.5A)，(V{IN}=10V - 17V)	-0.03%	-	+0.08%	%
负载调整率	(V{IN}=12V)，(I{O}=0A) 至 5A	-0.01%	-	+0.07%	%
负载瞬态响应（电压变化）	(I_{O}=1.25A) 至 3.75A	-	-	-72.5	mV
负载瞬态响应（恢复时间）	(I_{O}=1.25A) 至 3.75A	-	-	450	μs
负载瞬态响应（电压变化）	(I_{O}=3.75A) 至 1.25A	-	-	+72.5	mV
负载瞬态响应（恢复时间）	(I_{O}=3.75A) 至 1.25A	-	-	450	μs
环路带宽	(V{IN}=12V)，(I{O}=2.5A)	-	27	-	kHz
相位裕度	(V{IN}=12V)，(I{O}=2.5A)	-	62	-	-
输入纹波电压	(V{IN}=7V)，(I{O}=5A)	276	-	300	mVpp
输出纹波电压	(V{IN}=7V)，(I{O}=5A)	-	-	7	mVpp
输出上升时间	-	-	-	5	ms
工作频率	-	-	700	-	kHz
最大效率	(V{IN}=6V)，(V{O}=3.3V)，(I_{O}=1.25A)	-	93.5%	-	%

三、模块修改

3.1 输出电压设定点调整

若要改变评估模块的输出电压，需要改变电阻 R2 的值。通过改变 R2 的值，可以将输出电压调整到高于 0.891V。特定输出电压下 R2 的值可使用公式 (R2 = 10kΩ × frac{0.891V}{V{O}-0.891V}) 计算得出。不过需要注意的是，(V{IN}) 必须处于一定范围内，以确保最小导通时间大于 220ns，最大占空比小于 80%。以下是一些常见输出电压对应的 R2 标准值：	输出电压 (V)	R2 值 (kΩ)
1.8	9.76
2.5	5.49
3.3	3.74
5	2.15

3.2 输入电压范围

评估模块设计为在标称 12V 或 15V 下工作，工作输入电压范围为 6V 至 17V。而 TPS54550 规定的输入电压范围为 4.5V 至 20V。上限电压设定为 17V 是由于最小导通时间的限制，以保证 3.3V 的输出。

四、测试设置与结果

4.1 输入/输出连接

TPS54550EVM - 158 配备了输入/输出连接器和测试点。通过一对 20AWG 电线将能够提供 3A 电流的电源连接到 J1，负载则通过另一对 20AWG 电线连接到 J3，最大负载电流能力为 5A。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；TP3 用于监测输出电压，TP4 作为接地参考。

4.2 效率

TPS54550EVM - 158 的效率在负载电流约为 1A 至 3A 时达到峰值，具体取决于输入电压，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，在较高环境温度下效率会降低。

4.3 输出电压调节

输出电压的负载调整率和线性调整率分别如图 4 - 2 和图 4 - 3 所示，测量均在环境温度为 25°C 的条件下进行。

4.4 负载瞬态响应

TPS54550EVM - 158 对负载瞬态的响应如图 4 - 4 所示，电流阶跃为最大额定负载的 25% 至 75%，输出的总峰 - 峰电压变化包括纹波和噪声。

4.5 环路特性

TPS54550EVM - 158 的环路响应特性如图 4 - 5 所示，展示了 (V_{IN}) 电压为 12V、负载电流为 2.5A 时的增益和相位图。

4.6 输出电压纹波

TPS54550EVM - 158 的输出电压纹波如图 4 - 6 所示，输入电压 (V_{IN}=12V)，输出电流为额定满载 5A，电压直接在输出电容两端测量。

4.7 输入电压纹波

输入电压纹波如图 4 - 7 所示，输入电压 (V_{IN}=12V)，每个器件的输出电流为 TPS54550EVM - 158 的满载 5A。

4.8 上电过程

TPS54550EVM - 158 的启动波形如图 4 - 8 所示。(V_{IN}) 从 0V 充电至 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。经过一段时间延迟后，内部参考电压以内部设定的慢启动速率线性上升至 0.891V，输出电压则上升至设定的 5V。可以通过在 JP1 处使用跳线将 EN 连接到 GND 来抑制输出，移除跳线后，EN 释放，慢启动电压以内部设定的速率上升，当 EN 电压达到 1.06V 的使能阈值电压时，启动序列如前文所述开始。

五、电路板布局

5.1 布局特点

TPS54550EVM - 158 的电路板布局如图 5 - 1 至图 5 - 3 所示。顶层和底层采用 2oz 铜，顶层包含 (V_{IN})、OUT 和 VPHASE 的主要功率走线，以及 TPS54550 其余引脚的连接和大面积的接地区域；底层包含接地和一些信号走线。顶层、底层和内部接地走线通过多个过孔连接，包括 TPS54550 器件正下方的四个过孔，为 PowerPAD™ 焊盘到接地提供了热路径。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，电压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。

六、原理图与物料清单

6.1 原理图

TPS54550EVM - 158 的原理图如图 6 - 1 所示。

6.2 物料清单

TPS54550EVM - 158 的物料清单详细列出了各个元件的数量、参考标识、值、描述、尺寸、部件编号和制造商等信息，具体如下：	数量	参考标识	值	描述	尺寸	部件编号	制造商
0	C1	开路	铝电解电容，SM 封装，10 × 12mm	-	-	-
2	C2, C10	100 μF	陶瓷电容，6.3V，X5R，20%，1210 封装	-	C3225X5R0J107M	TDK
1	C3	0.1 μF	陶瓷电容，25V，X5R，10%，0603 封装	-	C1608X5R1E104KB	TDK
1	C4	1.0 μF	陶瓷电容，25V，X5R，10%，0603 封装	-	C1608X5R1E105KB	TDK
1	C5	0.033 μF	陶瓷电容，50V，X5R，10%，0603 封装	-	C1608X5R1H333KB	TDK
1	C6	0.068 μF	陶瓷电容，50V，X5R，10%，0603 封装	-	C1608X5R1H683KT	TDK
1	C7	1000pF	陶瓷电容，50V，C0G，5%，0603 封装	-	C1608C0G1H102JB	TDK
1	C8	0.01 μF	陶瓷电容，50V，X5R，10%，0603 封装	-	C1608X5R1H103KB	TDK
1	C9	10 μF	陶瓷电容，16V，X5R，20%，1210 封装	-	C3225X5R1C106M	TDK
2	J1, J2	2 针端子块，6A，3.5mm	-	0.27 × 0.25	ED1514	OST
2	J3, J4	2 针插头，100mil 间距，(36 针条)	-	0.100 × 2	PTC36SAAN	Sullins
1	L1	6.8 μH	贴片电感，5.4A，14 mΩ，0.405 平方英寸	-	CDRH105R - 6R8	Sumida
1	Q1	MOSFET，快速开关，N 沟道，20V，21.1A，5.3 mΩ，PWRPAK 1212 封装	-	-	Si7110DN	Vishay
3	R1, R9, R11	10.0k	贴片电阻，1/16W，1%，0603 封装	-	Std	Std
1	R10	23.7	贴片电阻，1/16W，1%，0603 封装	-	Std	Std
1	R2	3.74k	贴片电阻，1/16W，1%，0603 封装	-	Std	Std
1	R3	1.00k	贴片电阻，1/16W，1%，0603 封装	-	Std	Std
1	R4	69.8k	贴片电阻，1/16W，1%，0603 封装	-	Std	Std
1	R5	133	贴片电阻，1/16W，1%，0603 封装	-	Std	Std
0	R6, R7	开路	贴片电阻，1/16W，1%，0603 封装	-	-	-
1	R8	0	贴片电阻，1/16W，1%，0603 封装	-	Std	Std
7	TP1, TP3, TP5, TP6 - TP9	红色通孔测试点，颜色编码	-	0.100 × 0.100	5000	Keystone
2	TP2, TP4	黑色通孔测试点，颜色编码	-	0.100 × 0.100	5001	Keystone
1	U1	IC，4.5 至 20V 输入，6A 降压转换器，输出电压可调，PWP16 封装	-	-	TPS54550PWP	TI
1	PCB	3 英寸 × 3 英寸 × 0.062 英寸	-	-	HPA158	Any

七、总结

通过对 TPS54550 降压转换器评估模块的详细介绍，我们了解了其基本特性、性能规格、模块修改方法、测试设置与结果、电路板布局以及原理图和物料清单等方面的内容。对于电子工程师来说，这些信息有助于在实际设计中更好地使用该评估模块，实现高效、稳定的降压转换应用。在实际应用中，你是否遇到过类似降压转换器的设计挑战呢？又采取了哪些解决方案呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。