TPS54622 降压转换器评估模块使用指南

在电子工程师的日常工作中，降压转换器是一个常见且关键的组件。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（Texas Instruments）的 TPS54622 降压转换器评估模块（TPS54622EVM - 012）。

文件下载：TPS54622EVM-012.pdf

一、引言

1.1 背景

TPS54622 是一款直流 - 直流（dc/dc）转换器，能够提供高达 6A 的输出电流。它采用了分离输入电源轨设计，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）的额定电压范围为 1.6V 至 17V，而控制输入（VIN）的额定电压范围为 4.5V 至 17V。评估模块 TPS54622EVM - 012 同时提供这两个输入，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 TPS54622 稳压器设计时可实现的小印刷电路板面积。开关频率外部设定为标称 480kHz，高端和低端 MOSFET 以及栅极驱动电路都集成在 TPS54622 封装内。MOSFET 的低漏源导通电阻使得 TPS54622 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，TPS54622 还提供可调的软启动、跟踪和欠压锁定输入功能。TPS54622EVM - 012 的绝对最大输入电压为 20V。

1.2 性能规格总结

TPS54622EVM - 012 的性能规格总结如下（除非另有说明，输入电压 (V_{IN}=12V)，输出电压为 3.3V，环境温度为 25°C）：	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		6.528			V
VIN 停止电压		6.19			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			±0.013	%
负载瞬态响应（(I_{O}=1.5A) 至 4.5A）				-150	mV
恢复时间			200		µs
负载瞬态响应（(I_{O}=4.5A) 至 1.5A）				150	mV
恢复时间			200		µs
环路带宽	(V{IN}=12V)，(I{O}=1.9A)		44.7		kHz
相位裕度	(V{IN}=12V)，(I{O}=1.9A)		54
输入纹波电压	(I_{O}=6A)			420	mVPP
输出纹波电压	(I_{O}=6A)			18	mVPP
输出上升时间			6		ms
工作频率			480		kHz
最大效率（(V{IN}=8V)，(I{O}=2A)）			94.9		%

1.3 修改方法

这个评估模块可以进行一些修改，以满足不同的应用需求：

• 输出电压设定点：输出电压由 R6 和 R7 组成的电阻分压器网络设定，R6 固定为 10kΩ。要改变 EVM 的输出电压，需要改变电阻 R7 的值。可以使用公式 (R7=frac{10kΩ × 0.6V}{V{OUT}-0.6V}) 计算特定输出电压下 R7 的值。表 1 - 3 列出了一些常见输出电压对应的 R7 值。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%。	R7 值（kΩ）	输出电压（V）
  1.8	4.99
  2.5	3.16
  3.3	2.21
  5	1.37

• 软启动时间：软启动时间可以通过改变 C9 的值来调整。使用公式 (C9(nF)=frac{Tss(ms) × lss(mu A)}{Vref(V)}) 计算所需的 C9 值。EVM 使用 (C9 = 0.01mu F) 时，软启动时间约为 6ms。
• 跟踪输入：TPS54622 可以在启动期间跟踪外部电压。J5 连接器用于连接外部电压，通过电阻分压器 R5 和 R6 可以实现比例或同步跟踪。具体细节可参考 TPS54622 数据手册（SLVSA70）。
• 可调欠压锁定（UVLO）：欠压锁定可以通过 R1 和 R2 进行外部调整。EVM 使用 (R1 = 35.7kΩ) 和 (R2 = 8.06kΩ) 时，启动电压为 6.528V，停止电压为 6.190V。可以使用公式 (R1=frac{V{START}(frac{V{ENFIRALIDING}}{V{ESINITION}})-V{STOP}}{I{p}(1 - frac{V{ENFIRALING}}{V{ENFIRING}})+I{h}}) 和 (R2=frac{R1 × V{ENFALLING}}{V{STOP}-V{ENFALLIING}+R1(I{p}+I_{h})}) 计算不同启动和停止电压所需的电阻值。
• 输入电压轨：EVM 设计为可适应功率级和控制逻辑的不同输入电压水平。正常运行时，PVIN 和 VIN 输入通过 J5 上的跳线连接，单个输入电压从 J1 提供。如果需要，可以移除 J5 上的跳线，将两个输入电压轨分开，此时需要在 J1 和 J4 分别提供两个输入电压。

二、测试设置和结果

2.1 输入/输出连接

TPS54622EVM - 012 提供了输入/输出连接器和测试点，具体如下：	参考标识	功能
J1	PVIN 输入电压连接器（(V_{IN}) 范围见 1.1）
J2	(V_{OUT})，最大 6A 时为 3.3V
J3	2 针启用头。将 EN 连接到地禁用，断开启用
J4	VIN 输入电压连接器，通常不使用
J5	PVIN 到 VIN 跳线。通常闭合，将 VIN 连接到 PVIN 以实现共轨电压操作
J6	2 针跟踪电压输入和接地头
J7	2 针跟踪输出和接地头
TP1	PVIN 连接器处的 PVIN 测试点
TP2	PVIN 连接器处的 GND 测试点
TP3	(V_{OUT}) 连接器处的输出电压测试点
TP4	PH 测试点
TP5	(V_{OUT}) 连接器处的 GND 测试点
TP6	电压分压器网络和输出之间的测试点，用于环路响应测量。软启动/跟踪输入测试点
TP7	COMP 引脚测试点
TP8	VIN 连接器处的 VIN 测试点
TP9	VIN 连接器处的 GND 测试点

连接时，需要一个能够提供 4A 电流的电源通过一对 20AWG 电线连接到 J1，J5 上的跳线必须就位。负载通过一对 20AWG 电线连接到 J2，最大负载电流能力必须为 6A。为了减少电线中的损耗，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，TP5 作为接地参考。

2.2 效率

该 EVM 的效率在负载电流约为 2A 时达到峰值，然后随着负载电流向满载增加而降低。图 2 - 1 和图 2 - 2 分别展示了在环境温度为 25°C 时，TPS54622EVM - 012 的效率和低电流效率。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 TPS54622EVM - 012 的负载调整率，测量是在环境温度为 25°C 下进行的。

2.4 输出电压线性调整率

图 2 - 4 展示了 TPS54622EVM - 012 的线性调整率。

2.5 负载瞬态响应

图 2 - 5 展示了 TPS54622EVM - 012 对负载瞬态的响应。在 12V 输入下，电流阶跃从最大额定负载的 25% 到 75%，电流阶跃转换速率为 100mA/µsec。

2.6 环路特性

图 2 - 6 展示了 TPS54622EVM - 012 的环路响应特性，测量时 (V_{IN}) 电压为 12V，负载电流为 1.9A。

2.7 输出电压纹波

图 2 - 7 展示了 TPS54622EVM - 012 在输出电流为额定满载 6A 且 (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 TPS54622EVM - 012 在输出电流为额定满载 6A 且 (V_{IN}=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

图 2 - 9 和图 2 - 10 展示了 TPS54622EVM - 012 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 J3 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。

2.10 预偏置启动

TPS54622 设计为可以在预偏置输出的情况下启动，在软启动序列开始时，输出电压不会放电到地。图 2 - 11 展示了输出电压预偏置到 1V 时的启动波形。

2.11 打嗝模式电流限制

TPS54622 具有打嗝模式电流限制功能。当发生过流事件时，TPS54622 会关闭并重新启动。图 2 - 12 展示了过流情况下的重启序列。

三、电路板布局

3.1 布局说明

TPS54622EVM - 012 的电路板布局如图 3 - 1 至图 3 - 5 所示。EVM 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 2oz 铜。

顶层包含 PVIN、VIN、(V_{OUT}) 和 VPHASE 的主要电源走线，以及 TPS54622 其余引脚的连接和大面积的接地区域。底层和内层接地层仅包含接地平面。顶层接地走线通过多个过孔与底层和内层接地平面连接，包括 TPS54622 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（C1 和 C2）和自举电容器（C3）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 放置。电压分压器网络在调节点（J2 输出连接器处的铜 (V_{out}) 走线）连接到输出电压。对于 TPS54622，根据 EVM 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。关键的模拟电路，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，使用与电源接地层分开的宽接地走线接地。

四、原理图和物料清单

4.1 原理图

图 4 - 1 是 TPS54622EVM - 012 的原理图。

4.2 物料清单

TPS54622EVM - 012 的物料清单如下：	数量	参考标识	值	描述	尺寸	部件编号	制造商
0	C1	开路	陶瓷电容器	1210 Std	Std
1	C2	10µF	陶瓷电容器，25V，X5R，20%	1210 Std	Std
1	C3	0.1µF	陶瓷电容器，25V，X7R，10%	0603 Std	Std
1	C4	0.01µF	陶瓷电容器，25V，X7R，10%	0603 Std	Std
1	C5	47pF	陶瓷电容器，50V，COG，10%	0603 Std	Std
1	C6	100µF	陶瓷电容器，6.3V，X5R，20%	1206 Std	Std
0	C7	开路	陶瓷电容器	1206 Std	Std
1	C8	4.7µF	陶瓷电容器，25V，X5R，10%	0805 Std	Std
1	C9	0.022µF	陶瓷电容器，25V，X5R，10%	0603 Std	Std
0	C10, C11	开路	陶瓷电容器	0603 Std	Std
3	J1, J2, J4	ED555/2DS	2 针端子块，6A，3.5mm	0.27 x 0.25 英寸	ED555/2DS	OST
4	J3, J5, J6, J7	PEC02SAAN	2 针公头，100mil 间距	0.100 英寸 x 2	PEC02SAAN	Sullins
1	L1	3.3µH	贴片电感器，7.2A，10.4 毫欧	0.402 平方英寸	MSS1048 - 332	NL_Coilcraft
1	R1	35.7k	贴片电阻，1/16W，1%	0603 Std