探索TPS55010EVM - 051：低功耗隔离型双输出转换器的设计与性能

在电子设计领域，电源模块的性能和设计合理性直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天，我们就来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的TPS55010EVM - 051评估模块，一款低功耗、隔离型的Fly - buck™双输出转换器。

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一、概述

TPS55010EVM - 051评估模块专为从4.5V至5.5V的输入电压源提供双40mA输出而设计。该模块旨在展示使用TPS55010稳压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400kHz，内部集成了高端和低端MOSFET以及栅极驱动电路，MOSFET的低漏源导通电阻有助于实现良好的效率。补偿组件位于集成电路外部，外部分压器可实现输出电压可调，此外还提供可调慢启动和欠压锁定输入。该评估模块的绝对最大输入电压为7V。

1.1 输入输出参数

EVM	输入电压范围	输出电流范围
TPS55010EVM - 051	VIN = 3V至6V	0A至40mA（双输出）

1.2 性能规格总结

以下是TPS55010EVM - 051在输入电压(V_{IN}=5V)、输出电压5V（除非另有说明）、环境温度25°C（除非另有注明）条件下的性能规格：	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}) = ± 40mA	5V ± 14	± 15	± 21	V
输出电流	4.5V ≤ (V_{IN}) ≤ 5.5V		± 0.04A
输出纹波电压（峰 - 峰）	(I{LOAD}) = ± 40mA，(V{IN}) = 5V			15	mV
开关频率	(I{LOAD}) = ± 40mA，(V{IN}) = 5V		400		kHz
端到端效率	(I{LOAD}) = ± 40mA，(V{IN}) = 5V		90		%
线性调整率	(I{LOAD}) = ± 20mA，4.5V ≤ (V{IN}) ≤ 5.5V，(V_{IN}) = 5V			± 0.25	V
负载调整率	(I{LOAD}) = 5mA至40mA，(V{IN}) = 5V			± 2	V
控制环路交叉频率	(I_{LOAD}) = ± 40mA		0.6		kHz
慢启动			40		ms
工作温度		- 25		85	°C

二、测试设置与结果

2.1 输入/输出连接

TPS55010EVM - 051配备了输入/输出连接器和测试点。需使用能够提供0.5A电流的电源通过一对20AWG电线连接到J1。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和TP13用于监测和加载输出电压，TP4和TP14作为接地参考。

2.2 效率

在环境温度为25°C时，TPS55010EVM - 051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。

2.3 负载调整率

图2展示了在环境温度25°C时TPS55010EVM - 051的负载调整率情况。

2.4 线性调整率

图3呈现了在环境温度25°C时TPS55010EVM - 051的线性调整率情况。

2.5 环路特性

TPS55010EVM - 051的环路响应特性如图4所示。在(V_{IN}=5V)、负载电流为± 40mA时，单位增益带宽为600Hz，相位裕度为45度。

2.6 输出电压纹波

图5展示了在输出电流为额定满载± 40mA、(V_{IN}=5V)时的输出电压纹波情况，纹波电压直接在正输出电容两端测量。

2.7 输入电压纹波

图6展示了在输出电流为额定满载± 40mA、(V_{IN}=5V)时的输入电压纹波情况，纹波电压直接在输入电容两端测量。

2.8 上电情况

图7展示了在(V{IN})上升且输出加载360Ω时的启动波形。当(V{IN})达到4.5V的上升欠压锁定（UVLO）值时，输出开始上升。

三、电路板布局

3.1 布局设计

TPS55010EVM - 051的电路板布局如图8 - 11所示。评估模块的顶层布局采用了典型的用户应用方式，顶层和底层为2盎司铜。基本的布局准则包括：

• 将输入电容靠近TPS55010的(V_{IN})和GND端子放置。
• 合理安排变压器、输入电容和稳压电容，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，在单点将该模拟GND走线/形状连接到电源GND（TPS55010的PowerPAD™IC封装）。

3.2 估计电路面积

该设计中使用的组件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、原理图与物料清单

4.1 原理图

图12为TPS55010EVM - 051的原理图。

4.2 物料清单

数量	参考编号	值	描述	尺寸	零件编号	制造商
1	C1	47µF	陶瓷电容，10V，X5R，10%	1210	Std	Std
4	C2, C3, C5, C11	0.1µF	陶瓷电容，16V，X7R，10%	0603	Std	Std
1	C4	1000pF	陶瓷电容，2kV，X7R，10%	1210	Std	Std
1	C7	10µF	陶瓷电容，10V，X5R，10%	1206	Std	Std
2	C8, C9	10µF	陶瓷电容，25V，X5R，10%	1210	Std	Std
0	C10	DNP	陶瓷电容，16V，X7R，10%	0603	Std	Std
1	C12	220µF	铝电解电容，6.3V，±20%	0.260 x 0.276英寸	EEE - FK0J221P	Panasonic
2	D1, D4	BZT52C18V	齐纳二极管，平面功率，500mW，18V	SOD - 123	BZT52C18 - 7 - F	Diodes, Inc
2	D2, D3	B1100	肖特基二极管，1000 - mA，100 - V	SMA	B1100 - 13 - F	Diodes, Inc
1	J1	ED555/2DS	2引脚端子块，6 - A，3.5mm	0.27 x 0.25英寸	ED555/2DS	OST
1	R1	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
2	R4, R11	2k	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	R7	13.7k	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	237k	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, TP11	5012	白色通孔测试点	0.125 x 0.125英寸	5012	Keystone
4	TP2, TP9, TP10, TP13	5010	红色通孔测试点	0.125 x 0.125英寸	5010	Keystone
4	TP4, TP5, TP12, TP14	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	2µH	变压器，±10%	0.410 x 0.510英寸	750311780	Wurth
1	U1	TPS55010RTE	DC - DC转换器IC，QFN - 16	TPS55010RTE	TI
1	PCB	2.5英寸 x 1.5英寸 x 0.062英寸		2.5" x 2.5" x 0.062"	PWR051	Any

五、重要注意事项

5.1 评估板使用限制

该评估板仅用于工程开发、演示或评估目的，并非适合一般消费者使用的成品。使用者需具备电子培训知识并遵守良好的工程实践标准。

5.2 电气安全

操作时需确保在输入电压4V至6V、输出电压 - 22V至 + 22V的范围内，超出指定范围可能导致意外操作和/或对评估板造成不可逆转的损坏。正常运行时，部分电路组件的外壳温度可能超过60°C，操作时需注意避免烫伤。

5.3 法规合规

该评估板可能未经过FCC、IC等相关法规测试，使用时可能会产生射频干扰，使用者需自行采取措施纠正干扰。在日本使用该产品需遵守相关电波法规定。

在实际设计中，电子工程师们需要综合考虑TPS55010EVM - 051的各项性能指标和注意事项，以确保设计出稳定、高效的电源系统。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。