TPS55010EVM - 009 低功耗隔离式 Fly - Buck™ 转换器评估模块详解

在电子设计中，电源模块的性能和设计合理性至关重要。今天我们来详细探讨一下德州仪器（TI）的 TPS55010EVM - 009 低功耗隔离式 Fly - Buck™ 转换器评估模块。

文件下载：TPS55010EVM-009.pdf

一、模块概述

TPS55010EVM - 009 评估模块主要用于展示 TPS55010 调节器的性能和特点。TPS55010 是一款 DC/DC 转换器，能够在 4.5V 至 5.5V 的输入电压源下提供高达 200mA 的输出电流。该评估模块设计的一大亮点在于，它能展示使用 TPS55010 调节器设计时可实现的小尺寸印刷电路板面积。其开关频率外部设定为标称 350kHz，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 TPS55010 能实现良好的效率。补偿组件位于集成电路（IC）外部，通过外部分压器可实现输出电压可调。此外，TPS55010 还提供可调的慢启动和欠压锁定输入功能。不过要注意，TPS55010EVM - 009 的绝对最大输入电压为 6V。

输入电压和输出电流范围

EVM	输入电压范围	输出电流范围
TPS55010EVM - 009	4.5V 至 6V	0A 至 200mA

性能规格总结

以下是 TPS55010EVM - 009 在输入电压 (V_{IN}=5V) 和输出电压为 5V 时（除非另有说明）的性能规格总结：	参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
输出电压	(4.5V ≤ V{IN} ≤ 5.5V)，(I{LOAD} ≤ 200mA)	4.5	5	6	V
输出电流	(4.5V ≤ V_{IN} ≤ 5.5V)	-	-	0.2	A
输出纹波电压（峰 - 峰值）	(I{LOAD} = 200mA)，(V{IN} = 5V)	-	-	20	mV
开关频率	(I{LOAD} = 200mA)，(V{IN} = 5V)	-	350	-	kHz
端到端效率	(I{LOAD} = 200mA)，(V{IN} = 5V)	-	85%	-	-
线性调整率	(I{LOAD} = 200mA)，(4.5V ≤ V{IN} ≤ 5.5V)	-	-	±0.06	V
负载调整率	(I{LOAD} = 10mA) 至 200mA，(V{IN} = 5V)	-	-	±0.3	V
控制环路交叉频率	(I_{LOAD} = 200mA)	-	25	-	kHz
慢启动时间	-	-	40	-	ms
工作温度	-	-25	-	85	°C

模块修改

该评估模块可以进行一些修改，以满足不同的设计需求：

• 输入电压范围：TPS55010EVM - 009 通常可在 5V 或 3.3V 的输入电压下工作。若要使用 3.3V 标称输入电压，需移除 R3（使 EVM 能从较低输入电压启动），并将 R9 更改为 511kΩ（将开关频率更改为 200kHz）。
• 工作频率、慢启动和欠压锁定（UVLO）：工作频率、慢启动时间和 UVLO 电压均可调整。R9 设定工作频率，C5 设定慢启动时间，R2 和 R3 组成的电阻分压器设定 UVLO 启动和停止电压。具体调整参数可参考 TPS55010 数据手册（SLVSAV0）。
• 齐纳二极管和输出缓冲器：在无负载条件下，如果没有输出电压限制，输出电压 (V_{OUT}) 可能高达 15V。TPS55010EVM - 009 通过一个标称 5.6V 的齐纳二极管与电阻串联，将 J2 处的输出电压限制在 6V。当 J2 处的外部负载约为 3mA 以上时，齐纳二极管对电路的负载影响可忽略不计。此外，在输出整流器两端提供了 R - C 缓冲器的占位，虽然缓冲器会影响效率，但可用于抑制整流器两端的振铃。

二、测试设置与结果

输入/输出连接

TPS55010EVM - 009 配备了输入/输出连接器和测试点，具体如下：	参考标签	设计标识符	描述
J1	INPUT	(V_{IN}) 连接器
J2	OUTPUT	(V_{OUT}) 连接器
TP2	-	(V_{IN}) 输入电路点
TP5	-	输入 GND 电路点
TP10	-	输出 (V_{OUT}) 电路点
TP4	-	输出 AGND 电路点
TP1	-	FAULT 引脚
TP3	-	EN 引脚
TP6	-	SLOW START 引脚
TP7	-	PH 引脚
TP8	-	环路测量注入点
TP9	-	调节电压
TP12	-	输入 GND 电路点

连接时，需要一个能够提供 0.5A 电流的电源通过一对 20AWG 电线连接到 J1，负载则通过一对 20AWG 电线连接到 J2。测试点 TP2 用于监测 (V_{IN}) 输入电压，TP5 作为方便的接地参考；TP10 用于监测输出电压，TP4 作为接地参考。

测试结果

• 效率：在环境温度为 25°C 时，TPS55010EVM - 009 的效率如图 1 所示。不过，由于内部 MOSFET 漏源电阻的温度变化，在较高环境温度下效率可能会降低。
• 负载调整率：图 2 展示了在环境温度为 25°C 时 TPS55010EVM - 009 的负载调整率情况。
• 线性调整率：图 3 显示了在环境温度为 25°C 时 TPS55010EVM - 009 的线性调整率，输入电压 (V_{IN}=5V)。
• 环路特性：图 4 展示了 TPS55010EVM - 009 的环路响应特性。在 0mA 负载时，单位增益带宽为 32.5kHz，相位裕度为 53 度；在 200mA 负载时，单位增益带宽为 25.2kHz，相位裕度为 82 度。
• 输出电压纹波：图 5 展示了输出电流为额定满载 200mA 且 (V_{IN}=5V) 时，TPS55010EVM - 009 的输出电压纹波情况，纹波电压直接在输出电容两端测量。
• 输入电压纹波：图 6 展示了输出电流为额定满载 200mA 且 (V_{IN}=5V) 时，TPS55010EVM - 009 的输入电压纹波情况，纹波电压直接在输入电容两端测量。
• 上电情况：图 7 展示了 (V{IN}) 上升时的启动波形，输出负载为 22Ω。当 (V{IN}) 达到上升的 UVLO 电压 4.5V 时，输出开始上升。

三、电路板布局

布局设计

TPS55010EVM - 009 的电路板布局如图 8 - 10 所示。评估模块的顶层布局采用了典型的用户应用方式，顶层和底层均为 2oz 铜。基本的布局准则如下：

• 将输入电容靠近 TPS55010 的 (V_{IN}) 和 GND 端子放置。
• 合理安排变压器、输入电容和调节电压电容的位置，以最小化环路面积。
• 将模拟控制电路（COMP、VSENSE、RT/CLK 和 SS 引脚）的 GND 端连接在一起，并与主电源 GND 分开，然后在单点将该模拟 GND 走线/形状连接到电源 GND（TPS55010 的 PowerPAD™ IC 封装）。TPS55010 的 PowerPAD™ 封装可用于从设备中散热，必须按照 TPS55010 数据手册（SLVSAV0）所示，通过多个过孔连接到 GND 平面。

估计电路面积

该设计中使用的组件的估计印刷电路板面积为 0.70 平方英寸，此面积不包括测试点或连接器。

四、原理图和物料清单

原理图

图 11 为 TPS55010EVM - 009 的原理图，它详细展示了各个组件之间的连接关系，对于理解模块的工作原理至关重要。

物料清单

数量	参考标识符	值	描述	尺寸	零件编号	制造商
2	C1, C7	47µF	陶瓷电容，10V，X5R，10%	1210 Std	Std	-
3	C2, C3, C5	0.1µF	陶瓷电容，低电感，16V，X7R，10%	0603 Std	Std	-
1	C4	1000pF	陶瓷电容，2kV，X7R，10%	1210 Std	Std	-
1	C6	1000pF	陶瓷电容，低电感，16V，X7R，10%	0603 Std	Std	-
2	C8, C9	10µF	陶瓷电容，10V，X5R，10%	1210 Std	Std	-
1	C10	3900pF	陶瓷电容，50V，X7R，10%	0603 Std	Std	-
1	C11	100pF	陶瓷电容，50V，NP0，5%	0603 Std	Std	-
1	C12	220µF	铝电解电容，6.3V，±20%	0.260 x 0.276 英寸	EEE - FK0J221P	Panasonic
1	D1	BZT52C5V6	齐纳二极管，平面功率，500mW，5.6V	SOD - 123	BZT52C5V6 - 7 - F	Diodes, Inc
1	D2	B120 - 13 - F	肖特基二极管，1000mA，20V	SMA	B120 - 13 - F	Diodes, Inc
2	J1, J2	ED555/2DS	2 针端子块，6A，3.5mm	0.27 x 0.25 英寸	ED555/2DS	OST
2	R1, R7	100k	贴片电阻，1/16W，1%	0603 Std	Std	-
1	R2	71.5k	贴片电阻，1/16W，1%	0603 Std	Std	-
1	R3	26.7k	贴片电阻，1/16W，1%	0603 Std	Std	-
1	R4	200	贴片电阻，1/16W，1%	0603 Std	Std	-
1	R5	49.9	贴片电阻，1/16W，1%	0603 Std	Std	-
1	R6	200	贴片电阻，1/16W，1%	0603 Std	Std	-
0	R8	DNP	贴片电阻，1/16W，1%	0603 Std	Std	-
1	R9	280k	贴片电阻，1/16W，1%	0603 Std	Std	-
1	R10	61.9k	贴片电阻，1/16W，1%	0603 Std	Std	-
4	TP1, TP3, TP6	5012	白色通孔测试点	0.125 x 0.125 英寸	5010	Keystone
3	TP2, TP9, TP10	5010	黑色通孔测试点	0.125 x 0.125 英寸	5010	Keystone
3	TP4, TP5, TP12	5011	黑色通孔测试点	0.125 x 0.125 英寸	5011	Keystone
2	TP7, TP8	5013	橙色通孔测试点	0.125 x 0.125 英寸	5013	Keystone
1	T1	2.5µH	变压器，±10%	0.410 x 0.510 英寸	750311880	Wurth
1	U1	TPS55010RTE	DC - DC 转换器 IC，QFN - 16	TPS55010RTE	TI
1	-	PCB, 2.5 In x 1.5 In x 0.062 In	-	2.5" x 2.5" x 0.062"	PWR009	Any

了解物料清单可以帮助我们在设计和维护过程中准确选择和替换组件。

在实际设计中，我们可以根据这些信息对 TPS55010EVM - 009 进行灵活应用和调整，以满足不同的项目需求。大家在使用过程中有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。