深入解析TPS54678EVM - 155评估模块：从原理到应用

在电子工程领域，电源管理模块的性能和稳定性至关重要。今天，我们就来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的TPS54678EVM - 155 6 - A，SWIFT™ 调节器评估模块。

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一、模块概述

TPS54678EVM - 155评估模块主要用于评估TPS54678这款dc/dc转换器。TPS54678能够从2.95 V至6 V的输入电压源提供高达6 A的输出电流，绝对最大输入电压为7 V。该评估模块展示了使用TPS54678调节器设计时实现的小印刷电路板面积优势。其开关频率外部设定为标称500 kHz，内部集成了高端和低端MOSFET以及栅极驱动电路，MOSFET的低漏源导通电阻使得模块能够实现高效率，并在高输出电流时保持较低的结温。补偿组件位于集成电路外部，通过外部分压器可实现输出电压的可调，同时还提供可调的软启动和欠压锁定输入。

1.1 输入电压和输出电流范围

EVM	INPUT VOLTAGE RANGE	OUTPUT CURRENT RANGE
TPS54678EVM - 155	V IN = 3 V to 6 V	0 A to 6 A

1.2 性能规格总结

在输入电压 (V_{IN}=5V) 、输出电压为1.2 V（除非另有说明），环境温度为25°C（除非另有注明）的条件下，该评估模块的性能规格如下：	PARAMETER		TEST CONDITIONS	MIN	TYP	MAX	UNITS
INPUT CHARACTERISTICS
Operating voltage range			3	5	6	V
V IN start voltage						V
V IN stop voltage						V
OUTPUT CHARACTERISTICS
Output voltage, V OUT	Output current = 0 to 6A			1.2		V
Output load current, I OUT1	I OUT_min to I OUT_max		0		6	A
Output voltage regulation	Line Regulation: Input voltage = 3 V to 6 V			0.5%
Load Regulation: Output current = 0 A to I OUT_max			0.5%
Transient response	Peak voltage I OUT = 3 A to 6 A and			60		mV
6 A to 3 A	Recovery time		200		µs
Output voltage ripple	V IN = 5 V, I OUT = 6 A					mVpp
Output over current				10		A
SYSTEMS CHARACTERISTICS
Switching frequency	F SW			500		kHz
Control loop bandwidth	V IN = 3.3 V, I O = 6 A					kHz
Phase Margin	V IN = 3.3 V, I O = 6 A					Degrees
Input ripple voltage						mVp - p
Soft start time						mSec
Peak efficiency	V IN = V, I OUT = A					%
Full load efficiency	V IN = V, I OUT = 6 A					%
Operating temperature	T oper			25		ºC

二、模块修改

2.1 输出电压设定点

通过改变电阻R9的值可以改变评估模块的输出电压。计算公式为： [R 9=R 10 timesleft(frac{V_{OUT }}{0.6 V}-1right)] 其中R10使用10.0 kΩ。以下是一些常见输出电压对应的R9和R10值：	R9 Ideal	R9 Actual (E96)	R10	V OUT Ideal	V OUT Actual
0	0	10.0E + 3	0.60	0.60
3.33E + 3	3.32E + 3	10.0E + 3	0.80	0.80
6.67E + 3	6.65E + 3	10.0E + 3	1.00	1.00
10.00E + 3	10.00E + 3	10.0E + 3	1.20	1.20
13.33E + 3	13.30E + 3	10.0E + 3	1.40	1.40
16.67E + 3	16.50E + 3	10.0E + 3	1.60	1.59
20.00E + 3	20.00E + 3	10.0E + 3	1.80	1.80
23.33E + 3	23.20E + 3	10.0E + 3	2.00	1.99
26.67E + 3	26.70E + 3	10.0E + 3	2.20	2.20
30.00E + 3	30.10E + 3	10.0E + 3	2.40	2.41
33.33E + 3	33.20E + 3	10.0E + 3	2.60	2.59
36.67E + 3	36.50E + 3	10.0E + 3	2.80	2.79

2.2 软启动时间

软启动时间可通过改变C7的值进行调整，计算公式为： [Css (nF)=3 × Tss (ms)] 评估模块上C7默认设置为0.01 μF，对应的软启动时间为3.33 ms。

2.3 可调欠压锁定（UVLO）

欠压锁定（UVLO）可通过外部的R1和R2进行调整。评估模块使用 (R 1 = 47.5 k Omega) 和 (R 2 = 35.7 k Omega) 设定启动电压为2.88 V，停止电压为2.57 V。确定UVLO性能的参数如下：	Parameter	Value
Enable Pin Current when OFF	700 nA
Enable Pin Current when ON	2.8 µA + 700 nA
Enable Pin Turn ON Threshold	1.3 V
Enable Pin Turn OFF Threshold	1.18 V

可使用以下公式计算不同启动和停止电压所需的电阻值： [I{R 2 ON}=frac{1.30}{R{2}}] [I{R 1 O N}=I{R 2 O N}-700 n=frac{left(V{O N}-1.30right)}{R{1}}]

三、测试设置与结果

3.1 输入/输出连接

评估模块配备了输入/输出连接器和测试点。需要使用能够提供3 A的电源通过一对20 AWG电线连接到J1，负载通过一对20 AWG电线连接到J2，负载的最大电流能力至少为6 A。测试点TP1用于监测 (V_{IN}) 输入电压，TP2作为接地参考；TP8用于监测输出电压，TP9作为接地参考。	Reference Designator	Function
J1	Input voltage
J2	Access to track function
J3	Output voltage
JP1	2 - pin header for enable. Connect EN to ground to disable, open to enable.
JP2	2 - pin header allowing pull up of PWRGD to V IN.
TP1	V IN +VE
TP2	V IN –VE
TP3	SS pin
TP4	Switch node, copper dot
TP5	Power Good pin
TP6	AGND reference
TP7	Bode injection point, input voltage
TP8	V OUT +VE
TP9	V OUT –VE
TP10	Bode injection point, output voltage

3.2 效率

评估模块的效率在负载电流约为1 A至2 A时达到峰值，随后随着负载电流接近满载而降低。在较高环境温度下，由于内部MOSFET的漏源电阻 (DS ON) 随温度变化，效率可能会降低。

3.3 输出电压调节

包括负载调节和线路调节。负载调节展示了输出电流变化时输出电压的稳定性，线路调节则体现了输入电压变化时输出电压的稳定性。

3.4 负载瞬态响应

当负载电流在0%至50%最大额定负载之间变化（输入电压为3.0 V）时，评估模块能够做出响应，总峰 - 峰电压变化如相关测试图所示。

3.5 环路特性

通过增益和相位图展示了在 (V_{IN}) 电压为5 V、负载电流为6 A时的环路响应特性。

3.6 输出电压纹波和输入电压纹波

分别展示了在不同输入电压和满载（6 A）情况下的输出电压纹波和输入电压纹波，纹波电压直接在输出电容和输入电容两端测量。

3.7 启动和关闭

启动过程中，输出电压会根据输入电压达到UVLO阈值或使能信号达到阈值而上升；关闭过程中，输出电压会根据输入电压低于UVLO停止阈值或使能信号接地而下降。

3.8 打嗝模式电流限制

当峰值开关电流超过电流限制阈值时，TPS54678会进入打嗝模式，即设备关闭并重新启动。当输出短路到地时，设备会持续复位，直到故障条件消除。

四、电路板布局

评估模块的电路板布局采用了典型的用户应用方式。顶层和底层为2 - oz铜，两个内层为1 - oz铜。顶层包含 (V{IN}) 、 (V{OUT}) 和 (PHASE) 的主要电源走线，以及TPS54678其余引脚的连接和大面积的接地区域。底层和内层仅包含接地平面。顶层接地区域通过多个过孔与底层和内层接地平面连接，包括TPS54678器件正下方的四个过孔，以提供从顶层接地区域到底层和内层接地平面的热路径。输入去耦电容和自举电容尽可能靠近集成电路放置，电压设定点电阻分压器组件也靠近集成电路，电压分压器网络连接到输出连接器附近的 (V_{OUT}) 铜走线。此外，还包含一个额外的输入大容量电容C16，以提供更低的源阻抗。

五、原理图和物料清单

5.1 原理图

提供了评估模块的详细原理图，可用于深入分析电路原理和信号流向。

5.2 物料清单

列出了评估模块中使用的所有元器件，包括电容、电阻、电感、连接器、集成电路等的详细信息，方便进行元器件的替换和采购。	RefDes	Value	Description	Size	Part Number	MFR
C4, C8	0.1 µF	Capacitor, ceramic, 50 V, X5R, 10%	603	Std	Std
C5	Open	Capacitor, ceramic	603	Std	Std
C6	2200 pF	Capacitor, ceramic, 50 V, X7R, 10%	603	Std	Std
C7	0.01 µF	Capacitor, ceramic, 25 V, X7R, 10%	603	Std	Std
C14	220 pF	Capacitor, ceramic, 50 V, C0G, 5%	603	Std	Std
C15	150 pF	Capacitor, ceramic, 50 V, C0G, 5%	603	Std	Std
C1 - 3 C9 - 13	47 µF	Capacitor, ceramic, 10 V, X5R, ±20%	1206	Std	Std
C16	220 µF	Capacitor, Electrolytic, SMT, 50 VDC	0.457 × 0.406	EEE - FK1H221P	Panasonic
JP1 - 2 - 3	PEC02SAAN	Header, Male 2 - pin, 100mil spacing	0.100 in × 2	PEC02SAAN	Sullins
L1	1.2 µH	Inductor, SMD Shielded Power, 11.8 A, 7.4 m Ω	5.3 × 5.5 mm	XAL5030 - 122ME	Coilcraft
R1	14.7 k Ω	Resistor, chip, 1/10W, 1%	603	Std	Std
R2	12.7 k Ω	Resistor, chip, 1/10W, 1%	603	Std	Std
R3	26.7 k Ω	Resistor, chip, 1/10W, 1%	603	Std	Std
R4	82.5 k Ω	Resistor, chip, 1/10W, 1%	603	Std	Std
R5 - 6	Open	Resistor, chip, 1/10W, 1%	603	Std	Std
R7	100 k Ω	Resistor, chip, 1/10W, 1%	603	Std	Std
R8	51.1 Ω	Resistor, chip, 1/10W, 1%	603	Std	Std
R9, R10	20.0 k Ω	Resistor, chip, 1/10W, 1%	603	Std	Std
J1 J3	ED555/2DS	Terminal Block, 2 - pin, 6 - A, 3.5 mm	0.27 × 0.25 in	ED555/2DS	OST
TP1 TP3 TP5 - 8 TP10	5000	Test Point, Red, Thru Hole Color Keyed	0.100 × 0.100 in	5000	Keystone
TP2 TP9	5001	Test Point, Black, Thru Hole Color Keyed	0.100 × 0.100 in	5001	Keystone
U1	TPS54678RTE	IC, 3 - V to 6 - V Input, 6 - A Output, 2 MHz, Sync. Step - Down Switcher With Integrated FET	QFN	TPS54678RTE	TI
Label		Label	1.25 × 0.25 in	THT - 13 - 457 - 10	Brady

六、注意事项

使用该评估模块时，用户需承担妥善安全处理设备的全部责任和义务，并对因设备处理或使用产生的所有索赔进行赔偿。若评估板不符合用户指南中的规格，可在交付日期起30天内退还以获得全额退款。同时，模块可能受到联邦通信委员会（FCC）和加拿大工业部（IC）规则的约束，使用时需遵循相关规定。此外，在日本使用该产品时，需遵守日本电波法的相关要求。