深入解析 TPS54428 降压转换器评估模块

在电子设计领域，降压转换器是一种常见且关键的元件，它能将较高的输入电压转换为较低的输出电压，以满足各种电子设备的供电需求。今天，我们就来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的 TPS54428 降压转换器评估模块（TPS54428EVM - 052）。

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一、TPS54428 转换器概述

TPS54428 是一款单路、自适应导通时间、采用 D - CAP2™ 模式的同步降压转换器。它具有诸多优点，外部元件数量少，这使得设计更加简洁，降低了成本和电路板空间。其 D - CAP2 控制电路针对低等效串联电阻（ESR）的输出电容进行了优化，像 POSCAP、SP - CAP 或陶瓷电容都适用，并且无需外部补偿就能实现快速的瞬态响应。内部设定的开关频率标称值为 650 kHz，同时，高侧和低侧开关 MOSFET 以及栅极驱动电路都集成在 TPS54428 封装内。MOSFET 的低漏源导通电阻使得 TPS54428 能够实现高效率，并且在高输出电流时有助于降低结温。此外，它还具备自动跳过的 Eco - mode 操作模式，可提高轻载效率。该转换器设计用于从 4.5 V 至 18 V 的输入电压源提供高达 4 A 的输出，输出电压范围为 0.76 V 至 6 V。

TPS54428EVM - 052 评估模块则是一个单路同步降压转换器，能在 4.5 - 18 V 输入下提供 1.05 V/4 A 的输出。

二、性能规格总结

以下是在输入电压 (V_{IN}=12V)、输出电压 1.05 V、环境温度 25°C 条件下的性能规格总结：	规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压范围 ((V_{IN}))	-	4.5	12	18	V
输出电压 ((V_{OUT}))	-	-	1.05	-	V
工作频率	(V{IN}=12V)，(I{OUT}=2A)	-	650	-	kHz
输出电流范围	-	0	-	4	A
线性调整率	(I_{O}=2.5A)	-	-	±0.33	%
负载调整率	(V_{IN}=12V)	-	+0.9 / - 0.1	-	%
过流限制	(V_{IN}=12V)，(L = 1.5µH)	4.6	5.3	6.8	A
输出纹波电压	(V{IN}=12V)，(I{OUT}=4A)	-	-	15	(mV_{PP})
最大效率	(V{IN}=5V)，(I{OUT}=0.7A)	-	88	-	%

从这些规格中，我们可以看出该评估模块在多种参数上表现稳定，能够满足大多数实际应用的需求。大家在实际设计中，是否会根据这些参数来判断该模块是否适合自己的项目呢？

三、模块修改

1. 输出电压设定点

如果需要改变评估模块的输出电压，需要改变电阻 R1 的值。对于 0.76 V 至 7 V 的输出电压，可以使用公式 (V_{OUT }=0.765V cdotleft(1+frac{R 1}{R 2}right)) 来计算 R1 的值。表 3 - 1 列出了一些常见输出电压对应的 R1 值。对于 1.8 V 及以上的较高输出电压，可能需要一个前馈电容（C4）来改善相位裕度，印刷电路板上提供了该元件（C4）的焊盘。

2. 输出滤波器和闭环响应

TPS54428 依赖输出滤波器特性来确保控制回路的稳定性。表 3 - 1 给出了常见输出电压推荐的输出滤波器组件。也有可能其他输出滤波器组件值能提供可接受的闭环特性。为了方便断开控制回路和测量闭环响应，提供了 R3 和 TP4。在实际设计中，你是否会尝试不同的滤波器组件值来优化性能呢？

四、测试设置与结果

1. 输入/输出连接

TPS54428EVM - 052 的输入/输出连接器和测试点如表 4 - 1 所示。通过一对 20 AWG 电线将能够提供 2 A 的电源连接到 J1，将负载通过一对 20 AWG 电线连接到 J2，最大负载电流能力为 4 A。要尽量减少电线长度以降低电线中的损耗。测试点 TP1 用于监测输入电压（(V_{IN})），TP2 作为方便的接地参考；TP8 用于监测输出电压，TP9 作为接地参考。

2. 启动程序

启动评估模块的步骤如下：

1. 确保 JP1（使能控制）的跳线设置为从 EN 到 OFF。
2. 向 J1 的 (V{IN}) 和 PGND 端子施加适当的 (V{IN}) 电压。
3. 将 JP1（使能控制）的跳线移动到覆盖 EN 和 ON，此时评估模块将启用输出电压。

   3. 效率

   在环境温度为 25°C 时，TPS54428EVM - 052 的效率如图 4 - 1 所示，轻载效率如图 4 - 2 所示。从图中可以看出，不同输入电压下，效率随输出电流的变化情况。大家在实际应用中，是否会根据效率曲线来选择合适的工作点呢？

   4. 负载调整率

   TPS54428EVM - 052 的负载调整率如图 4 - 3 所示，以 2 A 负载时的输出电压作为参考值。通过该曲线可以了解输出电压随负载电流的变化情况。

   5. 线性调整率

   线性调整率如图 4 - 4 所示，以 12 V 输入电压时的输出电压作为参考值。它反映了输出电压随输入电压变化的情况。

   6. 频率

   TPS54428 使用 Eco - mode™ 来提高轻载效率，这意味着在低负载条件下频率会降低。图 4 - 5 展示了该部件在整个负载范围内的开关频率。

   7. 负载瞬态响应

   TPS54428EVM - 052 对负载瞬态阶跃的响应如图 4 - 6 和图 4 - 7 所示，显示了总峰 - 峰电压变化。

   8. 输出电压纹波

   输出电压纹波在不同输出电流和工作模式下的情况如图 4 - 8、图 4 - 9 和图 4 - 10 所示。

   9. 输入电压纹波

   输入电压纹波如图 4 - 11 所示，此时输出电流为额定满载 4 A，输入电压设置为 5 V。

   10. 启动和关闭

   TPS54428EVM - 052 相对于 (V_{IN}) 和使能（EN）的启动和关闭波形分别如图 4 - 12、图 4 - 13、图 4 - 14 和图 4 - 15 所示。

五、电路板布局

TPS54428EVM - 052 的电路板布局如图 5 - 1 至图 5 - 5 所示。顶层包含 (V{IN})、(V{O}) 和接地的主要电源走线，还有 TPS54428 引脚的连接以及大面积的接地区域。许多信号走线也位于顶层。输入去耦电容尽可能靠近 IC 放置。输入和输出连接器、测试点以及所有组件都位于顶层。顶层提供了一个模拟接地（GND）区域，模拟接地（GND）和电源接地（PGND）在顶层靠近 C6 的单点连接。底层主要是电源接地，但也有一条将 (V{IN}) 连接到使能跳线的走线、一条将 (V{REG5}) 连接到 TP5 的走线以及从 (V_{OUT}) 到电压设定点分压网络的反馈走线。合理的电路板布局对于降低干扰、提高性能至关重要，你在设计电路板时会特别关注哪些布局要点呢？

六、原理图、物料清单和参考资料

1. 原理图

图 6 - 1 是 TPS54428EVM - 052 的原理图，展示了各个元件之间的连接关系。

2. 物料清单

物料清单（表 6 - 1）列出了评估模块中各个元件的详细信息，包括元件的数量、值、描述、尺寸、零件编号和制造商等。

3. 参考资料

参考资料提供了德州仪器 TPS54428 的数据手册，可用于进一步了解该转换器的详细信息。

七、修订历史

文档从 2011 年 12 月的版本到 2021 年 9 月的版本进行了更新，包括表格、图形和交叉引用的编号格式更新以及用户指南标题的更新。

通过对 TPS54428 降压转换器评估模块的详细分析，我们对其性能、使用方法和设计要点有了更深入的了解。在实际电子设计中，我们可以根据这些信息来选择合适的元件和设计方案，以满足不同应用的需求。大家在使用类似的评估模块时，是否也会进行如此详细的分析呢？