TPS54A20 SWIFT™ 降压转换器评估模块使用指南详解

在电子设计领域，降压转换器是常见且关键的元件，而德州仪器（Texas Instruments）的 TPS54A20 SWIFT™ 降压转换器评估模块（TPS54A20EVM - 770）更是备受关注。本文将基于其用户指南，为电子工程师们详细介绍这款评估模块的相关内容。

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一、使用前须知

在使用 TPS54A20EVM - 770 评估模块时，安全问题至关重要。该模块在运行过程中可能会发热，因此要避免接触电路板，同时遵循实验室适用的安全程序。此外，不要在无人看管时让评估模块通电，因为电路板底部可能存在信号走线、元件和元件引脚，会有暴露电压、发热表面或尖锐边缘，操作时切勿伸手到电路板下方。还要注意监测温度，防止模块因过热受损，若使用多个电源，需检查设备要求，必要时使用隔离技术，防止设备损坏。

二、背景知识

1. TPS54A20 转换器特性

TPS54A20 是一款两相同步串联电容降压转换器，能够提供高达 10A 的输出电流。其输入电压（VIN）额定范围为 8V 至 14V，评估模块的额定输入电压和输出电流范围在表 1 - 1 中有详细说明。该评估模块旨在展示使用 TPS54A20 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每侧标称 2MHz，有效频率为 4MHz。高侧和低侧 MOSFET 与栅极驱动电路集成在 TPS54A20 封装内，MOSFET 的低漏源导通电阻使 TPS54A20 能实现高效率，并有助于在高输出电流时保持较低的结温。补偿元件集成在集成电路（IC）内部，外部分压器可实现输出电压可调。此外，TPS54A20 还提供可调慢启动和欠压锁定输入功能。其绝对最大输入电压在开关状态下为 15V，非开关状态下为 17V。

2. 性能规格总结

表 1 - 2 给出了 TPS54A20EVM - 770 的性能规格总结。在输入电压 (V{IN } = 12V)、输出电压为 1.2V 的条件下（除非另有说明），该评估模块的各项性能指标表现出色。例如，输入电压范围为 9.2V 至 14V，输出电流范围为 0A 至 10A，线路调节率在 (I{O}=5A)、(V{IN}=9.2V) 至 14V 时为 ±0.04%，负载调节率在 (V{IN}=12V)、(I_{O}=0A) 至 10A 时为 ±0.03% 等。

3. 模块修改

输出电压设定点

输出电压由电阻分压器网络 (R9 (R{(TOP)})) 和 (R7 (R{(BOT)})) 设定，其中 (R7) 固定为 14.3kΩ。若要改变评估模块的输出电压，需改变电阻 (R9) 的值。可使用公式 (R{(TOP)}=frac{R{(BOT)} times (V{OUT}-V{REF})}{V_{REF}}) 计算特定输出电压下 (R9) 的值。

导通时间

TON 引脚需要一个电阻来设定标称导通时间，并支持输入电压前馈电路。所选电阻值也会影响控制器内部的斜坡。可使用公式 (R{(TON)} = 3k + 15k times V{OUT}) 选择 TON 电阻。在本设计示例中，所选的 (R{TON}) 电阻为 22.1kΩ。在启动期间，转换器使用通过 TON 编程的标称导通时间，启动完成后锁相环（PLL）才会激活，PLL 激活后导通时间会进行调整。若通过 TON 引脚编程的标称导通时间与 PLL 激活时的导通时间相差较大，可能会降低器件的 SYNC 范围。此外，调整 (R{TON}) 值还可调节控制器，降低 (R_{TON}) 值会增加内部斜坡高度，这会降低转换器对噪声和抖动的敏感性，但也会降低其瞬态响应能力。

可调欠压锁定（UVLO）

欠压锁定（UVLO）可通过 (R2 (R{EN(TOP)})) 和 (R3 (R{EN(BOT)})) 进行外部调节。评估模块使用 (R2 = 80.6kΩ) 和 (R3 = 12.4kΩ) 设定启动电压为 9.385V，停止电压为 9.144V。可使用公式 (R{EN(TOP)}=frac{V{IN(RISE)}-V{IN(FALL)}}{I{EN(FALL)}-I{EN(RISE)}}) 和 (R{EN(BOT)}=frac{R{EN(TOP)} times V{EN}}{V{IN(FALL)}-V{EN}+R{EN(TOP)} times I{EN(FALL)}}) 计算不同启动和停止电压所需的电阻值。

三、测试设置与结果

1. 输入/输出连接

TPS54A20EVM - 770 配备了输入/输出连接器和测试点。必须使用一对 20AWG 或更粗的电线将能够提供大于 2A 电流的电源连接到 J1，负载则通过一对 20AWG 或更粗的电线连接到 J4，最大负载电流能力为 10A。为减少电线损耗，应尽量缩短电线长度。测试点 TP1 用于监测 (VIN) 输入电压，TP2 提供方便的接地参考；TP7 用于监测输出电压，TP8 作为接地参考。

2. 效率

该评估模块的效率在负载电流约为 5A 时达到峰值，随后随着负载电流接近满载而下降。图 2 - 1 和图 2 - 2 分别展示了在环境温度为 25°C 时，不同输入电压下的效率曲线。需要注意的是，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。

3. 输出电压调节

负载调节

图 2 - 3 展示了 TPS54A20EVM - 770 的负载调节情况，测量是在环境温度为 25°C 下进行的。

线路调节

图 2 - 4 展示了其线路调节情况，反映了输入电压变化时输出电压的稳定性。

4. 负载瞬态响应

图 2 - 5 展示了 TPS54A20EVM - 770 对负载瞬态的响应，电流阶跃从 0A 到 9A，电流阶跃上升速率为 9A/µs。需注意 Q1 可能会发热，要将功率耗散限制在 3W 或更低，并使用低占空比。

5. 环路特性

图 2 - 6 展示了 TPS54A20EVM - 770 的环路响应特性，给出了 (V_{IN}) 电压为 12V、负载电流为 5A 时的增益和相位图。

6. 输出电压纹波

图 2 - 7、图 2 - 8 和图 2 - 9 分别展示了负载电流为 0A、5A 和 10A 时的输出电压纹波，测量是在 (V_{IN}=12V) 条件下，直接跨接 TP7 和 TP8 进行的。

7. 输入电压纹波

图 2 - 10、图 2 - 11 和图 2 - 12 分别展示了负载电流为 0A、5A 和 10A 时的输入电压纹波，测量是在 (V_{IN}=12V) 条件下，直接跨接 TP1 和 TP2 进行的。

8. 上电情况

图 2 - 13 和图 2 - 14 展示了 TPS54A20EVM - 770 的启动波形。在图 2 - 13 中，当输入电压达到由 (R2) 和 (R3) 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 - 14 中，初始施加输入电压，通过 J2 上的跳线将 EN 连接到 GND 来抑制输出，移除跳线释放 EN，当 EN 电压达到使能阈值电压时，启动序列开始，输出电压上升到外部设定的 1.2V。

9. 热成像

图 2 - 15 展示了评估模块的热成像，输入电压为 12V，输出电流为 10A，在模块以 10A 满载运行超过 45 分钟后捕获图像，最大外壳温度为 76.3°C。

四、电路板布局

TPS54A20EVM - 770 的电路板布局如图 3 - 1 至图 3 - 5 所示。顶层布局遵循用户应用的典型方式，顶层、底层和内层均采用 2oz 铜。顶层包含 (VIN)、(VOUT)、SWA 和 SWB 的主电源走线，以及 TPS54A20 其余引脚的连接和大面积接地。内层 1 是专用接地平面，内层 2 包含额外的大面积接地铜区和额外的 (V_{OUT}) 铜填充。底层是另一个接地平面，带有用于输出电压反馈的额外走线。顶层接地走线通过多个过孔连接到底层和内层接地平面，包括 TPS54A20 器件正下方的五个过孔，以提供从顶层接地平面到底层接地平面的热路径。输入去耦电容和自举电容都尽可能靠近 IC 放置，电压设定点电阻分压器组件也靠近 IC，分压器网络在调节点（TP7 测试点处的铜 (Vout) 走线）连接到输出电压。对于 TPS54A20，根据评估模块与输入电源的连接情况，可能需要额外的输入大容量电容。关键模拟电路如电压设定点分压器、频率设定电阻和补偿组件使用与电源接地层分开的宽接地走线接地。

五、原理图和物料清单

1. 原理图

图 4 - 1 为 TPS54A20EVM - 770 的原理图，清晰展示了各个元件的连接关系和电路结构。

2. 物料清单

表 4 - 1 列出了 TPS54A20EVM - 770 的物料清单，包含了每个元件的设计编号、数量、值、描述、封装、零件编号和制造商等详细信息，为工程师进行元件采购和电路搭建提供了准确的参考。

六、修订历史

文档记录了从不同版本的修订情况，包括标题更新、表格和图形编号格式更新、元件参数修改以及原理图和物料清单的更新等。

总之，TPS54A20EVM - 770 评估模块为电子工程师提供了一个全面了解和测试 TPS54A20 降压转换器的平台。通过对其性能的测试和分析，工程师们可以更好地将该转换器应用到实际设计中。大家在使用过程中有没有遇到过类似模块的特殊问题呢？欢迎在评论区分享交流。