TPS56921 Buck Converter评估模块：性能、设置与设计详解

在电子工程领域，DC-DC转换器是电源设计中不可或缺的一部分。今天我们要深入探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的TPS56921 Buck Converter评估模块（TPS56921EVM - 188），它能为工程师们在电源设计方面提供很多有价值的参考。

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一、模块概述

1.1 背景

TPS56921 DC - DC转换器可提供高达9A的输出电流。它采用了分离输入电源轨设计，功率级和控制电路分别有独立的输入电压。功率级输入（PVIN）额定电压为1.6V至17V，控制输入（VIN）额定电压为4.5V至17V。评估模块TPS56921EVM - 188为这两个输入都提供了接口，但设计和测试时通常将PVIN连接到VIN。其额定输入电压范围为4.5V至17V，输出电流范围为0A至9A。

该评估模块旨在展示使用TPS56921稳压器设计时可实现的小尺寸印刷电路板。开关频率外部设定为标称500kHz，高侧和低侧MOSFET以及栅极驱动电路都集成在TPS56921封装内。MOSFET的低漏源导通电阻使TPS56921能实现高效率，并有助于在高输出电流时保持较低的结温。补偿组件在集成电路（IC）外部，外部分压器可实现输出电压的可调。此外，TPS56921还提供可调节的慢启动、跟踪和欠压锁定输入。TPS56921EVM - 188的绝对最大输入电压为20V。

1.2 性能规格总结

在输入电压(V_{IN}=12V)、输出电压为1.1V（除非另有说明）的条件下，TPS56921EVM - 188的性能规格如下：	规格	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
(V_{IN})电压范围（PVIN = VIN）		4.5	12	17	V
(V_{IN})启动电压（内部UVLO）			4.0		V
(V_{IN})停止电压（内部UVLO）			3.85		V
输出电压设定点			1.1		V
输出电流范围	(V_{IN}=8V)至17V	0		9	A
线性调整率	(I{O}=4.5A)，(V{IN}=4.5V)至17V		±0.01		%
负载调整率	(V{IN}=12V)，(I{O}=0A)至9A		±0.18		%
负载瞬态响应	(I_{O}=2.25A)至6.75A		-90		mV
	恢复时间		100		μs
	(I_{O}=6.75A)至2.25A		90		mV
	恢复时间		100		μs
环路带宽	(V{IN}=12V)，(I{O}=4A)		50.1		kHz
相位裕度	(V{IN}=12V)，(I{O}=4A)		63		°
输入纹波电压	(I_{O}=9A)，在J2处添加330μF电容测量		300		mVPP
输出纹波电压	(I_{O}=8A)		10		mVPP
输出上升时间			4		ms
工作频率			500		kHz
最大效率	TPS56921EVM - 188，(V{IN}=5V)，(I{O}=1.6A)		88.1		%

1.3 模块修改

该评估模块可进行一些修改以满足不同的设计需求。

• 输出电压设定点：EVM的输出电压可以通过外部电压分压器或内部I²C接口进行设置。外部调整通过R10和R11的电阻分压器网络实现，R10固定为10kΩ，改变R11的值可在0.72V至1.48V范围内改变输出电压，计算公式为(R11=frac{10kΩ×0.8V}{V_{OLT}-0.8V})。也可使用I²C接口的可选VID控制来设置输出电压，通过HPA665 - 001 USB2ANY接口和USB2ANY_GUI软件，可将输出电压编程为0.72V至1.48V的77个预设电压之一。
• 慢启动时间：慢启动时间可通过改变C5的值进行调整，计算公式为(C5(nF)=frac{Tss(ms)×lss(μA)}{Vref(V)})。EVM默认使用(C5 = 0.01μF)，慢启动时间为5.7ms。
• 可调欠压锁定（UVLO）：欠压锁定可通过R1和R2进行外部调整。EVM默认使用内部UVLO，R1和R2未安装。可使用特定公式计算不同启动和停止电压所需的电阻值。
• 输入电压轨：EVM设计为适应功率级和控制逻辑的不同输入电压水平。正常运行时，PVIN和VIN输入通过JP1跳线连接，单个输入电压在J2处提供。若需要，可移除JP1跳线，分别在J1和J2处提供两个输入电压。

二、测试设置与结果

2.1 输入/输出连接

TPS56921EVM - 188配备了输入/输出连接器和测试点。需将能够提供4A电流的电源通过一对20 - AWG电线连接到J2，JP1跳线必须就位。负载需通过一对20 - AWG电线连接到J4，最大负载电流能力为9A，应尽量缩短电线长度以减少电线损耗。测试点TP3用于监测(V_{IN})输入电压，TP4作为接地参考；TP9用于监测输出电压，TP10作为接地参考。

2.2 效率

在环境温度为25°C时，模块的效率如图2 - 1和图2 - 2所示。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。

2.3 输出电压负载调整率和线性调整率

图2 - 3展示了负载调整率，图2 - 4展示了线性调整率，测量均在环境温度为25°C的条件下进行。

2.4 负载瞬态响应

图2 - 5显示了TPS56921EVM - 188对负载瞬态的响应，在12V输入下，电流从最大额定负载的25%阶跃到75%，电流阶跃转换速率为100mA/μs，输出电压的总峰 - 峰变化包括纹波和噪声。

2.5 环路特性

当输出电压通过外部电阻分压器网络设置时，图2 - 6展示了环路响应特性；当通过I²C接口设置时，图2 - 7展示了相应的环路响应特性，测量时(V_{IN})电压为12V，负载电流为4A。

2.6 输出电压纹波和输入电压纹波

图2 - 8展示了输出电压纹波，输出电流为额定满载9A，(V{IN}=12V)，纹波电压直接在输出电容两端测量；图2 - 9展示了输入电压纹波，同样在输出电流为9A、(V{IN}=12V)的条件下，纹波电压在输入电容两端测量。

2.7 上电过程

图2 - 10和图2 - 11展示了TPS56921EVM - 188的启动波形。图2 - 10中，当输入电压达到由R1和R2电阻分压器网络设置的UVLO阈值时，输出电压开始上升；图2 - 11中，初始施加输入电压，通过JP2跳线将EN连接到GND抑制输出，移除跳线后，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1.1V。图2 - 12展示了输出电压上升的详细情况。

三、电路板布局

TPS56921EVM - 188的电路板布局如图3 - 1至图3 - 5所示。顶层、底层和内部层均为2 - oz铜层。顶层包含PVIN、VIN、(V{OUT})和VPHASE的主要电源走线，以及TPS56921其余引脚的连接和大面积的接地区域。内部层1是电源接地平面，内部层2包含模拟接地填充区域，用于I²C接口和RT、SS、EN、COMP和VSENSE等敏感模拟电路的返回路径，模拟接地在TP7附近的过孔处与主电源接地连接以抑制环流。内部层2还包含PVIN和(V{OUT})的额外填充区域以及与J3处I²C接口连接器的连接。底层仅包含电源接地平面。顶层接地走线通过多个过孔与底层和内部接地平面连接，包括TPS56921正下方的9个过孔和相邻的12个过孔，为顶层接地区域到内部层1和底层接地平面提供热路径。

输入去耦电容（C1、C2、C3和C4）和自举电容（C8）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。电压分压器网络在J4输出连接器处的铜(V_{OUT})走线的调节点与输出电压相连。根据EVM与输入电源的连接情况，可能需要额外的输入大容量电容。

四、原理图和物料清单

4.1 原理图

图4 - 1展示了TPS56921EVM - 188的原理图。

4.2 物料清单

表4 - 1列出了TPS56921EVM - 188的物料清单，包括电容、电阻、电感、连接器、IC等元件的详细信息。

通过对TPS56921 Buck Converter评估模块的详细分析，我们可以看到它在电源设计方面具有很多优势和灵活性。工程师们可以根据实际需求对模块进行修改和调整，以满足不同应用场景的要求。大家在使用这个模块的过程中，有没有遇到什么特别的问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享。