深入解析TPS55386EVM - 363非同步降压转换器评估模块

在电子设计领域，电源模块的性能和稳定性至关重要。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（Texas Instruments）的TPS55386EVM - 363评估模块，这是一款12V输入、5.0V与3.3V输出、3A非同步降压转换器，能为工程师们在电源设计方面提供很多有价值的参考。

文件下载：TPS55386EVM-363.pdf

一、模块概述

1.1 模块描述

TPS55386EVM - 363评估模块采用12V（±10% / - 20%）的稳压总线，能产生5.0V和3.3V的稳压电源轨，每个输出的负载电流最大可达3A。它主要用于在典型的12V总线系统中展示TPS55386芯片的性能，同时提供了多个测试点，方便工程师评估其在特定应用中的表现。而且，通过更换部分组件，该模块还能修改输入或输出电压。

1.2 应用领域

这款模块的应用范围十分广泛，包括非隔离低电流负载点和电压总线转换器、消费电子、LCD TV、计算机外设以及数字机顶盒等。

1.3 模块特点

• 输入范围：12V ±10% / - 20%，能适应一定范围内的电压波动。
• 输出电压：固定输出5.0V和3.3V，可通过改变电阻进行调节。
• 输出电流：稳态输出电流为3Adc（峰值3A），能满足多数中小功率设备的需求。
• 开关频率：600kHz，由TPS55386芯片固定，保证了稳定的开关性能。
• 电路结构：内部集成开关MOSFET，外部采用整流二极管；双层2有源层PCB，所有组件都在顶层，测试点信号通过内层布线。
• 尺寸小巧：有源转换器面积小于2.5平方英寸（< 1.15” × 2.15”）。
• 测试方便：提供了方便的测试点，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

参数	最小值	典型值	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
输出电压1（VOUT1，VIN = 标称值，IOUT = 标称值）	4.95	5.1	5.25	V
输出电压2（VOUT2，VIN = 标称值，IOUT = 标称值）	3.20	3.3	3.40	V
线路调节率（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	-	3.0	A
输出电流2（IOUT2，VIN = 最小值到最大值）	0	-	3.0	A
输出过流保护1（IOCP1，VIN = 标称值，VOUT = VOUT1 - 5%）	3.1	3.7	4.5	A
输出过流保护2（IOCP2，VIN = 标称值，VOUT = VOUT2 - 5%）	3.1	3.7	4.5	A
开关频率（FSW）	500	600	700	kHz
峰值效率（VIN = 标称值）	-	-	90%	-
满载效率（VIN = 标称值，IOUT1 = IOUT2 = 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

这些参数为我们了解模块的性能提供了重要依据，在实际设计中，我们需要根据具体需求来选择合适的工作条件。

三、原理图分析

3.1 时序跳线（JP3）

TPS55386EVM - 363提供了一个3针100密耳的插头和分流器，用于对TPS55386的时序功能进行编程。将JP3分流器置于左侧位置，可将序列引脚连接到BP，当启用Enable 2时，TPS55386控制器会先对通道2进行排序，再对通道1进行排序；置于右侧位置，序列引脚连接到GND，当启用Enable 1时，会先对通道1进行排序，再对通道2进行排序；移除JP3分流器则会禁用排序功能，使通道1和通道2能够独立启用。

3.2 使能跳线（JP1和JP2）

模块提供了独立的3针100密耳插头和分流器，用于实现TPS55386的使能功能。当移除JP3时，将JP1分流器置于左侧位置，可将EN1连接到地，开启输出1；将JP2分流器置于左侧位置，可将EN2连接到地，开启输出2。当JP3分流器在左侧位置时，将JP2分流器置于左侧位置，会先开启输出2，再开启输出1；当JP3分流器在右侧位置时，将JP1分流器置于左侧位置，会先开启输出1，再开启输出2。

3.3 误差放大器输出

TPS55386跨导误差放大器（COMP1和COMP2）的输出对电容负载很敏感，示波器探头通常会增加8 - 15pF的电容。因此，在没有使用外部缓冲器的情况下，不要直接测量这些信号，以免影响控制电压。

3.4 测试点描述

模块提供了多个测试点，用于监测不同的参数，具体如下：	测试点标签	用途
TP1	监测输入电压
TP2	输入电压的接地端
TP3	监测VOUT1电压
TP4	VOUT1电压的接地端
TP5	VOUT1通道B环路监测的接地端
TP6	VOUT1通道B环路监测
TP7	VOUT1通道A环路监测的接地端
TP8	VOUT1通道B环路监测
TP9	监测通道1的开关节点
TP10	通道1开关节点的接地端
TP11	监测IC接地
TP12	监测通道2的开关节点
TP13	通道2开关节点的接地端
TP14	VOUT2通道A环路监测
TP15	VOUT2通道A环路监测的接地端
TP16	VOUT2通道B环路监测
TP17	VOUT2通道B环路监测的接地端
TP18	监测VOUT2电压
TP19	VOUT2电压的接地端

这些测试点为我们调试和分析模块性能提供了便利，你在实际操作中有没有利用这些测试点解决过一些问题呢？

四、测试设置

4.1 所需设备

• 电压源：输入电压源（(V_{IN})）应为0 - 15V的可变直流电源，能够提供5Adc的电流，将其连接到J1。
• 仪表：包括0 - 3Adc的电流表A1、0 - 15V的电压表V1用于测量(V_{IN})、0 - 6V的电压表V2用于测量VOUT1、0 - 4V的电压表V3用于测量VOUT2。
• 负载：输出1负载（LOAD1）应为能够在5.0V下提供0 - 2Adc的电子恒流模式负载；输出2负载（LOAD2）应为能够在3.3V下提供0 - 2Adc的电子恒流模式负载。
• 示波器：可使用数字或模拟示波器来测量VOUT1或VOUT2的纹波电压，设置为1MΩ阻抗、20MHz带宽、交流耦合、1µs/格的水平分辨率和10mV/格的垂直分辨率。
• 推荐线规：(V_{IN})到J1的连接，推荐使用AWG #16的电线，总长度小于4英尺；J2到LOAD1、J3到LOAD2的连接，推荐使用AWG #18的电线，总长度小于2英尺。
• 其他：由于模块中的组件可能会发热，建议使用一个能够提供200 - 400 lfm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供电前，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(V{IN})之前，建议将源电流限制在最大5.0A，确保(V{IN})初始设置为0V，并按照推荐的测试设置图进行连接。
3. 在(V_{IN})和J1之间连接电流表A1（0 - 5A范围）。
4. 将电压表V1连接到TP1和TP2。
5. 将LOAD1连接到J2，在施加(V_{IN})之前，将LOAD1设置为恒流模式，使其吸收0Adc的电流。
6. 将电压表V2跨接在TP3和TP4上。
7. 将LOAD2连接到J3，在施加(V_{IN})之前，将LOAD2设置为恒流模式，使其吸收0Adc的电流。
8. 将电压表V3跨接在TP18和TP19上。
9. 放置风扇并开启，确保空气能够流过EVM。

4.3 启动/关闭程序

1. 将(V_{IN})从0V增加到12Vdc。
2. 将LOAD1的电流从0 - 3Adc进行调节。
3. 将LOAD2的电流从0 - 3Adc进行调节。
4. 将(V_{IN})在9.6Vdc到13.2Vdc之间进行调节。
5. 将(V_{IN})降低到0Vdc。
6. 将LOAD1的电流降低到0A。
7. 将LOAD2的电流降低到0A。

4.4 输出纹波电压测量程序

1. 将(V_{IN})从0V增加到12Vdc，并将LOAD1和LOAD2调节到所需的负载电流。
2. 调节(V_{IN})到所需的负载电压。
3. 将示波器探头连接到TP3和TP4或TP18和TP19，按照推荐的测试设置图进行操作。
4. 测量输出纹波。
5. 将(V_{IN})降低到0Vdc，将LOAD1和LOAD2的电流降低到0A。

4.5 控制环路增益和相位测量程序

1. 将1kHz - 1MHz的隔离变压器连接到TP6和TP8。
2. 将输入信号幅度测量探头（通道A）连接到TP8。
3. 将输出信号幅度测量探头（通道B）连接到TP6。
4. 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10Hz或更低的后置滤波器从1kHz到1MHz进行频率扫描。
7. 控制环路增益可通过公式[20 × LOGleft(frac{ ChannelB }{ ChannelA }right)]进行测量。
8. 控制环路相位通过通道A和通道B之间的相位差进行测量。
9. 对于通道2的控制环路测量，将TP6替换为TP16，TP8替换为TP14，TP5替换为TP17，TP7替换为TP15。
10. 在进行其他测量之前，断开隔离变压器，因为反馈中的信号注入可能会影响其他测量的准确性。

4.6 设备关闭

依次关闭示波器、(V_{IN})、LOAD1、LOAD2和风扇。

五、典型性能数据和特性曲线

5.1 效率

从效率与负载电流的曲线可以看出，在不同的输入电压（9.6V、12V、13.2V）下，5V和3.3V输出的效率随负载电流的变化情况。一般来说，随着负载电流的增加，效率会先上升后趋于稳定。在实际应用中，我们可以根据负载需求选择合适的输入电压，以提高效率。

5.2 线路和负载调节率

输出电压与负载电流的曲线展示了在不同输入电压下，5V和3.3V输出电压随负载电流的变化情况。线路调节率和负载调节率都在1%以内，说明模块在不同输入电压和负载条件下，输出电压的稳定性较好。

5.3 开关节点和输出纹波电压

通过示波器测量得到的开关节点和输出纹波电压曲线，我们可以直观地看到模块在工作时的电压波动情况。在实际设计中，我们需要关注纹波电压的大小，以确保其满足负载设备的要求。

5.4 输出纹波电压

在输出测试点（TP3和TP4或TP18和TP19）测量的输出纹波电压会包含一些高频开关边缘噪声和由于接地环路面积导致的偏移。为了获得更准确的测量结果，可以将裸线直接焊接到输出电容（C5或C17）上，并将其直接连接到示波器探头的接地桶。

5.5 控制环路波特图

控制环路的增益和相位与频率的曲线展示了模块的控制性能。从图中可以得到输出电压的带宽和相位裕度，例如，VOUT1的带宽为40kHz，相位裕度为69°；VOUT2的带宽为33kHz，相位裕度为71°。这些参数对于评估模块的稳定性和动态响应能力非常重要。

六、EVM组装图纸和布局

TPS55386EVM - 363采用4层、2oz覆铜电路板，尺寸为3.0” × 3.0”，所有组件都位于1.15” × 2.15”的有源区域内，且所有有源走线都分布在顶层和底层，方便用户查看、探测和评估TPS55386控制IC在实际双面应用中的性能。对于空间受限的系统，还可以将组件移到PCB的两侧或使用额外的内层，以进一步减小尺寸。

七、材料清单

材料清单详细列出了模块中使用的各种组件，包括电容、电阻、电感、二极管、集成电路等，以及它们的型号、规格和制造商。这对于我们进行组件替换和故障排查非常有帮助。

综上所述，TPS55386EVM - 363评估模块是一款性能优良、功能丰富的电源模块，为工程师们在电源设计和测试方面提供了很多便利。在实际应用中，我们可以根据具体需求，结合模块的特点和性能参数，进行合理的设计和调试。你在使用类似模块时有没有遇到过什么挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。