TPS54620 降压转换器评估模块使用指南

在电子设计领域，电源模块的性能和稳定性至关重要。今天我们来深入了解一下德州仪器（Texas Instruments）的 TPS54620 降压转换器评估模块 TPS54620EVM - 374。

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一、引言

1.1 背景

TPS54620 是一款直流 - 直流转换器，能够提供高达 6A 的输出电流。它采用了分离式输入电源轨设计，为功率级和控制电路分别提供独立的输入电压。功率级输入（PVIN）额定电压范围为 1.6V 至 17V，控制输入（VIN）额定电压范围为 4.5V 至 17V。评估模块 TPS54620EVM - 374 提供了这两种输入，但在设计和测试时通常将 PVIN 连接到 VIN。其额定输入电压范围为 8V 至 17V（VIN 启动电压为 6.521V），输出电流范围为 0A 至 6A。

该评估模块旨在展示使用 TPS54620 调节器设计时可实现的小尺寸印刷电路板面积。开关频率外部设定为标称 480kHz，高侧和低侧 MOSFET 以及栅极驱动电路集成在 TPS54620 封装内。MOSFET 的低漏源导通电阻使 TPS54620 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。补偿组件位于集成电路（IC）外部，通过外部分压器可实现输出电压的可调。此外，TPS54620 还提供可调的软启动、跟踪和欠压锁定输入功能。TPS54620EVM - 374 的绝对最大输入电压为 20V。

1.2 性能规格总结

以下是 TPS54620EVM - 374 在输入电压 (V_{IN}=12V)、输出电压为 3.3V 时的性能规格总结（除非另有说明）：	规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
VIN 电压范围（PVIN = VIN）		8	12	17	V
VIN 启动电压		6.521			V
VIN 停止电压		6.065			V
输出电压设定点			3.3		V
输出电流范围	(V_{IN}=8V) 至 17V	0		6	A
线性调整率	(I{O}=3A)，(V{IN}=8V) 至 17V		±0.02%
负载调整率	(V{IN}=12V)，(I{O}=0A) 至 6A		±0.012%
负载瞬态响应（(I_{O}=1.5A) 至 4.5A）
电压变化			-100mV
恢复时间			60µs
负载瞬态响应（(I_{O}=4.5A) 至 1.5A）
电压变化			100mV
恢复时间			120µs
环路带宽	(V{IN}=12V)，(I{O}=6A)		43kHz
相位裕度	(V{IN}=12V)，(I{O}=6A)		52°
输入纹波电压	(I_{O}=6A)		520mVPP
输出纹波电压	(I_{O}=6A)		20mVPP
输出上升时间			4ms
工作频率			480kHz
最大效率	TPS54620EVM - 374，(V{IN}=8V)，(I{O}=2A)		95%

1.3 模块修改

该评估模块旨在展示 TPS54620 的特性，同时也可以进行一些修改：

1.3.1 输出电压设定点

输出电压由 R8 和 R9 组成的电阻分压器网络设定，其中 R9 固定为 10kΩ。要改变评估模块的输出电压，需要改变电阻 R8 的值。通过以下公式可以计算特定输出电压下 R8 的值： [R8=frac{10kΩ(V_{OUT}-0.8V)}{0.8V}] 常见输出电压对应的 R8 值如下表所示：	输出电压 (V)	R8 值 (kΩ)
1.8	12.4
2.5	21.5
3.3	31.6
5	52.3

需要注意的是，(V_{IN}) 必须在一定范围内，以确保最小导通时间大于 120ns，最大占空比小于 95%。

1.3.2 软启动时间

软启动时间可以通过改变 C7 的值来调整。使用以下公式可以计算所需的 C7 值： [C7(nF)=frac{Tss(ms)×Iss(μA)}{Vref(V)}] 评估模块默认使用 (C7 = 0.01μF)，实现 4ms 的软启动时间。

1.3.3 跟踪输入

TPS54620 可以在启动时跟踪外部电压。J5 连接器用于连接外部电压，通过电阻分压器 R5 和 R6 可以实现比例跟踪或同步跟踪。具体细节可参考 TPS54620 数据手册（SLVS949）。

1.3.4 可调欠压锁定（UVLO）

欠压锁定（UVLO）可以通过 R1 和 R2 进行外部调整。评估模块使用 (R1 = 35.7kΩ) 和 (R2 = 8.06kΩ)，设定启动电压为 6.521V，停止电压为 6.065V。可以使用以下公式计算不同启动和停止电压所需的电阻值： [R1=frac{V{START}(frac{V{ENFALLING}}{V{ENFALLING}})-V{STOP}}{I{p}(1 - frac{V{ENFALLING}}{V{ENFALLING}})+I{th}}] [R2=frac{R1×V{ENFALLING}}{V{STOP}-V{ENFALLING}+R1(I{p}+I_{h})}]

1.3.5 输入电压轨

评估模块设计为适应功率级和控制逻辑的不同输入电压水平。在正常操作时，通过 J3 上的跳线将 PVIN 和 VIN 输入连接在一起，单个输入电压通过 J1 提供。如果需要，可移除 J3 上的跳线，将两个输入电压分别通过 J1 和 J2 提供。

二、测试设置与结果

2.1 输入/输出连接

TPS54620EVM - 374 配备了输入/输出连接器和测试点，具体如下表所示：	参考编号	功能
J1	PVIN 输入电压连接器（见输入电压范围表）
J2	VIN 输入电压连接器（通常不使用）
J3	PVIN 到 VIN 跳线，通常闭合以将 VIN 连接到 PVIN 以实现共轨电压操作
J24	2 针启用头，将 EN 连接到地以禁用，断开以启用
J5	2 针跟踪电压输入和接地头
J6	2 针跟踪输出和接地头
J7	VOUT，最大 3.3V/6A
TP1	PVIN 连接器处的 PVIN 测试点
TP2	PVIN 连接器处的 GND 测试点
TP3	VIN 连接器处的 VIN 测试点
TP4	VIN 连接器处的 GND 测试点
TP5	PH 测试点
TP6	软启动/跟踪输入测试点
TP7	电压分压器网络和输出之间的测试点，用于环路响应测量
TP8	VOUT 连接器处的输出电压测试点
TP9	VOUT 连接器处的 GND 测试点
TP10	PWRGD 测试点

连接时，需要使用能够提供 4A 电流的电源通过一对 20AWG 电线连接到 J1，J3 上的跳线必须就位。负载通过一对 20AWG 电线连接到 J7，最大负载电流能力为 6A。为减少电线损耗，应尽量缩短电线长度。测试点 TP1 用于监测 (VIN) 输入电压，TP2 提供方便的接地参考；TP8 用于监测输出电压，TP9 作为接地参考。

2.2 效率

该评估模块的效率在负载电流约为 2A 时达到峰值，然后随着负载电流接近满载而降低。在环境温度为 25°C 时，其效率曲线如图 2 - 1 所示。在较低输出电流（低于 0.10A）下的效率曲线如图 2 - 2 所示。由于内部 MOSFET 的漏源电阻随温度变化，在较高环境温度下效率可能会降低。

2.3 输出电压负载调整率

图 2 - 3 展示了 TPS54620EVM - 374 的负载调整率，测量在环境温度为 25°C 下进行。

2.4 输出电压线性调整率

图 2 - 4 展示了 TPS54620EVM - 374 的线性调整率。

2.5 负载瞬态响应

图 2 - 5 展示了 TPS54620EVM - 374 对负载瞬态的响应，电流阶跃为在 12V 输入下从最大额定负载的 25% 到 75%。

2.6 环路特性

图 2 - 6 展示了 TPS54620EVM - 374 的环路响应特性，增益和相位图是在 (V_{IN}) 电压为 12V、负载电流为 6A 时测量的。

2.7 输出电压纹波

图 2 - 7 展示了 TPS54620EVM - 374 在输出电流为额定满载 6A、(V_{IN}=12V) 时的输出电压纹波，纹波电压直接在输出电容器两端测量。

2.8 输入电压纹波

图 2 - 8 展示了 TPS54620EVM - 374 在输出电流为额定满载 4A、(VIN = 12V) 时的输入电压纹波，纹波电压直接在输入电容器两端测量。

2.9 上电过程

图 2 - 9 和图 2 - 10 展示了 TPS54620EVM - 374 的启动波形。在图 2 - 9 中，当输入电压达到由 R1 和 R2 电阻分压器网络设定的 UVLO 阈值时，输出电压开始上升。在图 2 - 10 中，首先施加输入电压，通过 J2 上的跳线将 EN 连接到地来抑制输出。当移除跳线释放 EN 时，当 EN 电压达到启用阈值电压，启动序列开始，输出电压上升到外部设定的 3.3V。这些图的输入电压为 12V，负载为 1Ω。

2.10 热特性

图 2 - 11 展示了 TPS54620EVM - 374 在 12V 输入和 6A 负载下运行时的热图像，无气流，环境温度为 25°C。IC 的峰值温度（70°C）远低于数据手册中列出的最大推荐工作温度 150°C。

三、电路板布局

3.1 布局

TPS54620EVM - 374 的电路板布局如图 3 - 1 至图 3 - 5 所示。评估模块的顶层布局采用了典型的用户应用方式，顶层、底层和内层均为 2 盎司铜。

顶层包含 PVIN、VIN、(VOUT) 和 VPHASE 的主要功率走线，还包括 TPS54620 其余引脚的连接以及大面积的接地区域。底层和内层仅包含接地平面。顶层接地走线通过多个过孔连接到底层和内层接地平面，包括 TPS54620 器件正下方的两个过孔，以提供从顶层接地平面到底层接地平面的热路径。

输入去耦电容器（C2 和 C3）和自举电容器（C5）都尽可能靠近 IC 放置。此外，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（J7 输出连接器处的铜 (Vout) 走线）连接到输出电压。对于 TPS54620，根据评估模块与输入电源的连接情况，可能需要额外的输入大容量电容器。关键模拟电路，如电压设定点分压器、频率设定电阻、软启动电容器和补偿组件，使用与功率接地层分开的宽接地走线接地。

3.2 估计电路面积

该设计中使用的组件的估计印刷电路板面积为 (0.58in^{2}(374mm^{2}))，此面积不包括测试点或连接器。

四、原理图和物料清单

4.1 原理图

图 4 - 1 是 TPS54620EVM - 374 的原理图。

4.2 物料清单

数量	参考编号	值	描述	尺寸	零件编号	制造商
0	C1	开路	陶瓷电容器，25V，X5R，20%	1210	Std	Std
1	C2	10µF	陶瓷电容器，25V，X5R，20%	1210	Std	Std
1	C3	4.7µF	陶瓷电容器，25V，X5R，10%	0805	Std	Std
1	C4	6800pF	陶瓷电容器，50V，X7R，10%	0603	Std	Std
1	C5	0.1µF	陶瓷电容器，50V，X7R，10%	0603	Std	Std
0	C6, C10	开路	陶瓷电容器	0603	Std	Std
1	C7	0.01µF	陶瓷电容器，25V，X7R，10%	0603	Std	Std
2	C8, C9	100µF	陶瓷电容器，6.3V，X5R，20%	1210	Std	Std
3	J1, J2, J7	ED555/2DS	2 针端子块，6A，3.5mm	0.27 x 0.25 英寸	ED555/2DS	OST
4	J3, J4, J5, J6	PEC02SAAN	2 针公头，100mil 间距	0.100 英寸 x 2	PEC02SAAN	Sullins
1	L1	3.3µH	表面贴装电感器，7.2A，10.4 毫欧	0.402 平方英寸	MSS1048 - 332NL	Coilcraft
1	R1	35.7K	贴片电阻，1/16W，1%	0603	Std	Std
1	R