TPS54291EVM - 431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重要的电路元件，它能将较高的输入电压转换为较低的输出电压，以满足不同电子设备的供电需求。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（Texas Instruments）的TPS54291EVM - 431降压转换器评估模块。

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一、模块概述

1.1 模块描述

TPS54291EVM - 431评估模块是一款双同步降压转换器，它能从12V总线分别提供固定的3.3V、1.5A和1.2V、2.5A输出。该模块设计为可从单一电源启动，启动时无需额外的偏置电压。它采用了带有集成MOSFET的TPS54291 600kHz双同步降压转换器。此外，通过更改部分组件，该EVM还能修改为其他输出电压。

1.2 应用领域

该模块适用于非隔离负载点和电压总线转换器、消费电子产品、液晶电视、计算机外设以及数字机顶盒等领域。

1.3 模块特性

• 输入范围：12V ±10% / –20%。
• 输出电压：固定输出5.0V和3.3V，可通过改变电阻进行调节。
• 稳态电流：3.3V输出时为1.5A，1.2V输出时为2.5A。
• 开关频率：600kHz（由TPS54291固定）。
• 内部结构：采用内部开关MOSFET和外部整流二极管。
• PCB设计：双面2有源层PCB，所有组件位于顶层，测试点信号路由在内部层。
• 有源转换区域：1.1平方英寸（0.86" × 1.28"）。
• 测试便利性：提供方便的测试点，可用于探测开关波形和进行非侵入式环路响应测试。

二、电气性能规格

2.1 输入特性

参数	最小值	标称值	最大值	单位
输入电压（VIN）	9.6	12	13.2	V
输入电流（IIN）（VIN = 标称值，IOUT = 最大值）	-	2.4	2.6	A
无负载输入电流（VIN = 标称值，IOUT = 0A）	12	20	-	mA
输入欠压锁定（VIN_UVLO）（IOUT = 最小值到最大值）	4.0	4.2	4.4	V

2.2 输出特性

参数	最小值	标称值	最大值	单位
输出电压1（VOUT1）（VIN = 标称值，IOUT = 标称值）	3.20	3.30	3.40	V
输出电压2（VOUT2）（VIN = 标称值，IOUT = 标称值）	1.15	1.20	1.25	V
线性调节率（VIN = 最小值到最大值）	-	-	1%	-
负载调节率（IOUT = 最小值到最大值）	-	-	1%	-
输出电压纹波（VIN = 标称值，IOUT = 最大值）	-	-	50	mVpp
输出电流1（IOUT1）（VIN = 最小值到最大值）	0	-	2.5	A
输出电流2（IOUT2）（VIN = 最小值到最大值）	0	-	2.5	A
输出过流通道1（IOCP1）（VIN = 标称值，VOUT = VOUT1 – 5%）	1.6	2.0	2.4	A
输出过流通道2（IOCP2）（VIN = 标称值，VOUT = VOUT2 – 5%）	3.0	3.6	4.4	A

2.3 系统特性

参数	最小值	标称值	最大值	单位
开关频率（FSW）	520	600	720	kHz
峰值效率（ηpk）（VIN = 标称值）	-	-	88%	-
满载效率（η）（VIN = 标称值，IOUT1 = IOUT1 = 最大值）	-	-	85%	-
最高工作温度范围（VIN = 最小值到最大值，IOUT = 最小值到最大值）	0	25	60	°C

三、原理图分析

3.1 使能跳线（JP1和JP2）

TPS54291EVM - 431提供了单独的三引脚100密耳插头和分流器，用于实现TPS54291的使能功能。将JP1分流器置于左侧位置可将EN1连接到地，从而开启输出1；将JP2分流器置于左侧位置可将EN2连接到地，从而开启输出2。

3.2 误差放大器输出

TPS54291跨导误差放大器（COMP1和COMP2）的输出对电容负载敏感，包括示波器探头通常增加的8 - 15pF电容。在不使用外部缓冲器的情况下，不应直接测量这些信号，以防止控制电压负载。

3.3 测试点描述

该模块提供了多个测试点，用于监测不同的电压和信号，具体如下：	测试点标签	用途	章节
TP1	监测输入电压	3.3.1
TP2	输入电压的接地端	3.3.1
TP3	监测VOUT1电压	3.3.2
TP4	VOUT1电压的接地端	3.3.2
TP5	VOUT1通道B环路监测的接地端	3.3.3
TP6	VOUT1通道B用于环路监测	3.3.3
TP7	VOUT1通道A环路监测的接地端	3.3.3
TP8	VOUT1通道B用于环路监测	3.3.3
TP9	监测通道1的开关节点	3.3.4
TP10	通道1开关节点的接地端	3.3.4
TP11	监测IC接地	3.3.5
TP12	监测通道2的开关节点	3.3.6
TP13	通道2开关节点的接地端	3.3.6
TP14	VOUT2通道A用于环路监测	3.3.7
TP15	VOUT2通道A环路监测的接地端	3.3.7
TP16	VOUT2通道B用于环路监测	3.3.7
TP17	VOUT2通道B环路监测的接地端	3.3.7
TP18	监测VOUT2电压	3.3.8
TP19	VOUT2电压的接地端	3.3.8

四、测试设置

4.1 所需设备

• 电压源（VIN）：0 - 15V可变直流源，能够提供2A直流电流。
• 仪表：包括0 - 2A直流电流表（A1）、0 - 15V电压表（V1）、0 - 6V电压表（V2）和0 - 4V电压表（V3）。
• 负载：输出1负载（LOAD1）为能够在3.3V下提供0 - 1.5A的电子恒流模式负载；输出2负载（LOAD2）为能够在1.2V下提供0 - 2.5A的电子恒流模式负载。
• 示波器：数字或模拟示波器，用于测量VOUT1或VOUT2的纹波电压，设置为1MΩ阻抗、20MHz带宽、交流耦合、1μs/格水平分辨率和10mV/格垂直分辨率。
• 推荐线规：VIN到J1的连接推荐使用AWG #16线，总长度小于4英尺；J2到LOAD1的连接推荐使用AWG #18线，总长度小于2英尺；J3到LOAD2的连接推荐使用AWG #18线，总长度小于2英尺。
• 其他：建议使用一个能够提供200 - 400lfm风量的小风扇，以降低组件表面温度，防止用户受伤。

4.2 设备设置步骤

1. 在ESD工作站工作，确保在给EVM通电前，将任何腕带、靴带或垫子连接到接地端，同时佩戴静电服和安全眼镜。
2. 在连接直流输入源VIN之前，建议将源电流限制在最大2.0A，并确保VIN初始设置为0V，按照图4 - 1进行连接。
3. 按照图4 - 1所示，在VIN和J1之间连接电流表A1（0 - 5A范围）。
4. 按照图4 - 1所示，将电压表V1连接到TP1和TP2。
5. 按照图4 - 1所示，将LOAD1连接到J2，并在施加VIN之前将LOAD1设置为恒流模式以吸收0A电流。
6. 按照图4 - 1所示，将电压表V2跨接在TP3和TP4上。
7. 按照图4 - 1所示，将LOAD2连接到J3，并在施加VIN之前将LOAD2设置为恒流模式以吸收0A电流。
8. 按照图4 - 1所示，将电压表V3跨接在TP18和TP19上。
9. 按照图4 - 2所示放置风扇并打开，确保空气流过EVM。

4.3 启动/关闭程序

• 启动：将VIN从0Vdc增加到12Vdc；将LOAD1从0Adc变化到1.5Adc；将LOAD2从0Adc变化到2.5Adc；将VIN从9.6Vdc变化到13.2Vdc。
• 关闭：将VIN降低到0Vdc；将LOAD1降低到0A；将LOAD2降低到0A。

4.4 输出纹波电压测量程序

1. 将VIN从0Vdc增加到12Vdc。
2. 将LOAD1调整到0Adc和1.5Adc之间的所需负载。
3. 将LOAD2调整到0Adc和2.5Adc之间的所需负载。
4. 将VIN调整到9.6Vdc和13.2Vdc之间的所需负载。
5. 按照图4 - 2所示，将示波器探头连接到TP3和TP4或TP18和TP19。
6. 测量输出纹波。
7. 将VIN降低到0Vdc。
8. 将LOAD1降低到0A。
9. 将LOAD2降低到0A。

4.5 控制环路增益和相位测量程序

1. 按照图4 - 3所示，将1kHz - 1MHz隔离变压器连接到TP6和TP8。
2. 按照图4 - 3所示，将输入信号幅度测量探头（通道A）连接到TP8。
3. 按照图4 - 3所示，将输出信号幅度测量探头（通道B）连接到TP6。
4. 按照图4 - 3所示，将通道A和通道B的接地引线连接到TP5和TP7。
5. 通过隔离变压器在R1上注入30mV或更小的信号。
6. 以1Hz或更低的后置滤波器将频率从1kHz扫描到1MHz。
7. 控制环路增益可通过公式[20 × LOGleft(frac{ ChannelB }{ ChannelA }right)]测量。
8. 控制环路相位通过通道A和通道B之间的相位差测量。
9. 对于通道2的控制环路测量，将TP6改为TP16，TP8改为TP14，TP5改为TP17，TP7改为TP15。
10. 在进行任何其他测量之前，断开隔离变压器，因为反馈中的信号注入会干扰其他测量的准确性。

4.6 设备关闭

依次关闭示波器、VIN、LOAD1、LOAD2和风扇。

五、典型性能数据和特性曲线

5.1 效率

图5 - 1展示了TPS54291EVM - 431的效率与负载电流的关系曲线。实际性能数据可能会受到测量技术和环境变量的影响，这些曲线仅供参考。

5.2 线性和负载调节

图5 - 2展示了输出电压与负载电流的关系曲线，体现了该模块在不同负载下的电压稳定性。

5.3 开关节点和输出纹波电压

图5 - 3展示了输出电压纹波的情况，有助于我们了解模块在实际工作中的纹波特性。

六、EVM组装图和布局

TPS54291EVM - 431采用4层、2盎司覆铜电路板，尺寸为3.0英寸×3.0英寸，所有组件位于顶层0.86英寸×1.28英寸的有源区域内，所有有源走线位于顶层和底层，方便用户在实际双面应用中轻松查看、探测和评估TPS54291控制IC。对于空间受限的系统，将组件移动到PCB的两侧或使用额外的内部层可以进一步减小尺寸。

七、材料清单

文档中的表7 - 1列出了根据图3 - 1原理图配置的EVM组件，包括电容、电阻、电感、IC等各种元件的详细信息，如数量、参考编号、值、描述、尺寸、部件编号和制造商等。

通过对TPS54291EVM - 431降压转换器评估模块的详细介绍，相信大家对该模块有了更深入的了解。在实际应用中，我们可以根据这些特性和测试方法，更好地评估和使用该模块，为电子设计提供可靠的电源解决方案。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。