德州仪器TPS54x80EVM - 228评估模块深度解析

一、引言

在电子设计领域，电源管理模块的性能和灵活性至关重要。德州仪器（TI）的TPS54x80EVM - 228评估模块，包括TPS54680EVM - 228（6 - Amp）和TPS54880EVM - 228（8 - Amp），为工程师们提供了一个强大的工具，用于评估和开发具有精确电源排序功能的应用。本文将深入解析该评估模块的各个方面，包括背景、性能规格、测试设置与结果等，希望能为电子工程师们在电源设计方面提供有价值的参考。

文件下载：TPS54680EVM.pdf

二、背景知识

2.1 SWIFT系列转换器

TPS54680和TPS54880属于SWIFT系列跟踪型DC/DC转换器，旨在为需要多个电压的负载提供精确的电源排序。这类应用常见于微处理器、DSP和FPGA的核心与I/O电源供应。该系列转换器具备直接跟踪、比例跟踪以及与第二电源进行电压排序的能力。

2.2 评估模块特点

• 双输出设计：TPS54680EVM - 228采用TPS54680跟踪型DC/DC转换器与TPS54610 DC/DC转换器配对，每通道提供6A输出；TPS54880EVM - 228则将TPS54880与TPS54810配对，每通道提供8A输出。
• 电压输出：在标称5V输入下，评估模块为I/O提供3.3V输出电压，为核心提供1.8V输出电压。
• TRACKIN引脚功能：通过TRACKIN引脚实现跟踪和排序功能。内部多路复用器电路将该引脚电压与内部参考电压进行比较，取较小值作为输出电压调节的参考。
• 同步功能：两个通道可以通过少量廉价外部组件实现异相同步，有助于减少不必要的拍频和输入电容中的纹波电流。

2.3 性能优势

• 高频设计：开关频率标称设置为700kHz，允许使用小尺寸的0.65µH输出电感器。
• 集成MOSFET：SWIFT调节器的MOSFET集成在封装内，无需外部MOSFET及其驱动器，降低了成本和电路板面积。
• 高效与热保护：MOSFET的低漏源导通电阻使调节器具有高效率，并有助于在高输出电流时保持低结温。此外，SWIFT集成FET DC/DC转换器提供了真正的全电路热保护。
• 可调输出：TPS54x80调节器的补偿组件位于IC外部，允许调节输出电压和定制环路响应。

三、性能规格总结

3.1 输入电压和输出电流范围

EVM	输入电压范围	输出电流范围
TPS54680EVM - 228	4.3V至6V	0A至6A
TPS54880EVM - 228	4.5V至6V	0A至8A

3.2 性能规格详情

具体性能规格可参考文档中的表1 - 2和表1 - 3，这里主要关注核心电压输出。这些规格是在环境温度为25°C时给出的，除非另有说明。

四、跟踪调节器与电源排序

4.1 电源排序技术

为避免处理器和系统IC出现潜在问题，设计师可采用三种通用的上电排序技术：顺序、比例或同时。

• 顺序上电：依次为两个电源轨上电，通常第二个电源轨在第一个电源轨达到稳定后开始上升，或者在第一个电源轨启动后经过设定的延迟开始上升。
• 比例上电：两个电源轨同时上电并同时达到稳定，需要较高的压摆率来实现最终电压较高的电源轨，可能会在达到稳定前产生较大的电压差。
• 同时上电：电压轨一起上升且速率相同，较高的I/O电压轨在较低的核心电压轨达到最终值后继续上升，可消除瞬时电压差并最小化应力的大小和持续时间。

4.2 评估模块的实现

TPS54x80EVM - 228评估模块通过适当选择电阻分压器的比例来实现不同的电源排序技术。相关公式如下：

• 核心电压跟踪I/O电压（同时上电）：(frac{R3}{R4}=frac{R5}{R6})
• 核心与I/O电压的比例关系：(frac{R3}{R4}=frac{R1}{R2})
• 核心电压在上电时先上升，断电时后下降：(frac{R3}{R4}

五、测试设置与结果

5.1 输入/输出连接

评估模块具有5V输入、5V输入返回、3.3V输出、3.3V输出返回、1.8V输出和1.8V输出返回等连接点。测试时，应使用能够提供15A电流的电源通过16AWG电线连接到J1，3.3V和1.8V负载分别通过16AWG电线连接到J2和J3。同时，需注意最小化电线长度以减少损耗。

5.2 电源排序测试

通过选择不同的电阻分压器比例，可以设置核心电压在上下电过程中的斜率与I/O电压的关系。测试结果表明，通过合理设置电阻和跳线，可以实现不同的电源排序方式，如跟踪上电、比例上电等。

5.3 效率

评估模块的效率取决于输出电压和输入电压。在输出电流低于3A时，3.3V输入电压下的效率较高，因为开关损耗较低；在输出电流高于3A时，5V输入电压下的效率更好，因为较高的栅极电压驱动的集成FET的漏源电阻较低。

5.4 功率耗散

PWP封装的低结壳热阻和良好的电路板布局，使得评估模块能够在保持安全结温的情况下提供全额定负载电流。测试数据显示，在不同负载电流下，模块的温度上升和总功率耗散情况不同。

5.5 输出电压调节

输出电压的负载调节和线路调节性能在文档中的图2 - 10和图2 - 11中展示，测量是在环境温度为25°C时进行的。

5.6 负载瞬态响应

TPS54x80EVM - 228对负载瞬态的响应在图2 - 12和图2 - 13中显示，电流阶跃为1.5A至4.5A，压摆率为5A/µs。

5.7 环路特性

评估模块的环路响应特性在图2 - 14和图2 - 15中展示，增益和相位图分别在3.3V（TPS54680）和5V（TPS54680和TPS54880）下测量。

5.8 输出和输入电压纹波及主开关波形

输出和输入电压纹波以及主开关波形在图2 - 16和图2 - 17中展示，测量条件包括不同的输入电压、输出电压和负载电流。

六、电路板布局

6.1 布局特点

TPS54x80EVM - 228的电路板布局采用典型的用户应用方式。顶层和底层为1.5oz铜，两个内层为0.5oz铜。顶层包含主要的电源走线、引脚连接和大面积的接地区域，对噪声敏感的部件有独立的安静接地区域。第二层为专用接地平面，第三层包含大面积的接地、(V{1})和(v{0})区域，底层除信号走线外均为接地。

6.2 元件布局

输入陶瓷电容器、偏置去耦电容器和自举电容器都尽可能靠近IC放置，补偿组件也保持与IC的近距离。

七、原理图和物料清单

7.1 原理图

评估模块的原理图如图4 - 1所示，模拟和电源接地在IC封装下的PowerPAD处连接。

7.2 物料清单

详细的物料清单见表4 - 1，包括电容器、电感器、电阻器、二极管、开关等元件的规格和数量。

八、异相同步

8.1 拍频问题

当核心和I/O电压由两个运行频率略有不同的DC/DC调节器提供时，输入电压纹波中会包含低频谐波，即拍频。

8.2 同步解决方案

通过将两个开关调节器异相同步，可以避免拍频效应，并由于纹波抵消效应节省一些输入电容器。评估模块中实现了可选的同步电路，包括C1、R1、R4、R5、D1、Q1等元件。同步后，输入电压纹波从非同步时的150mV峰 - 峰值降低到100mV峰 - 峰值。

九、总结

德州仪器的TPS54x80EVM - 228评估模块为电子工程师提供了一个全面的平台，用于评估和开发具有精确电源排序功能的应用。其高性能、灵活性和易于使用的特点，使其成为电源设计领域的有力工具。在实际应用中，工程师们可以根据具体需求对输出电压、开关频率等参数进行调整，以满足不同的设计要求。同时，通过合理的电路板布局和元件选择，可以进一步优化模块的性能。你在使用类似评估模块时，是否也遇到过一些有趣的问题或挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。