深入剖析 TPS65023EVM-205 评估模块：设计与应用指南

在电子设备的开发过程中，电源管理是至关重要的一环。德州仪器（Texas Instruments）推出的 TPS65023EVM-205 评估模块，为使用单节锂离子或锂聚合物电池供电且需要多电源轨的应用提供了强大的解决方案。本文将详细介绍该评估模块的特点、操作以及使用方法，为电子工程师们在电源管理设计方面提供有价值的参考。

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一、模块概述

TPS65023EVM-205 评估模块旨在帮助用户评估和测试 TPS65023 的各种工作模式。TPS65023 是一款集成电源管理 IC，适用于单节锂离子或锂聚合物电池供电的应用，包含三个高效开关降压转换器、两个 LDO 以及额外的状态和 I/O 引脚，通过 I2C 接口（HPA172）进行控制。

二、运行要求

1. 个人计算机

需要一台带有 USB 端口的计算机来操作该评估模块。运行在个人计算机上的 TPS65023 接口软件通过 PC 的 USB 端口与评估模块进行通信，用户可以通过 USB 端口向评估模块发送命令并读取 TPS65023 内部寄存器的内容。

2. 印刷电路板组件

TPS65023EVM-205 PCB 包含 TPS65023 IC 及其所需的外部组件。该电路板上有多个跳线和连接器，允许用户根据特定的操作条件对电路板进行定制。

3. USB 转 I²C 适配器

HPA172 是 PC 和评估模块之间的通信桥梁。适配器一侧通过提供的 USB 电缆连接到 PC，另一侧通过提供的带状电缆连接到评估模块。当用户向评估模块写入命令时，运行在 PC 上的接口程序将命令发送到 PC 的 USB 端口，适配器接收 USB 命令并将信号转换为 I²C 协议，然后将 I²C 信号发送到 TPS65023 电路板。当用户从评估模块读取状态寄存器时，PC 发送读取评估模块上寄存器的命令，评估模块接收到命令后通过 I²C 接口报告寄存器的状态，适配器接收 I²C 接口上的信息，将其转换为 USB 协议并发送到 PC。

4. 软件

德州仪器提供软件来帮助用户评估该评估模块。安装软件时，将附带的 CD 插入计算机，软件应自动启动。如果没有自动启动，可以通过“开始” - “运行”，输入“D:setup.exe”（假设 D 为 CD 驱动器）并点击“确定”来启动安装。同时，建议在 TI 网站的 TPS65023 产品文件夹中查看软件的最新版本。

三、设置步骤

1. 输入/输出连接器说明

• J1 - VIN：来自外部电源的输入电压，建议最大为 5.5 V，输入电流取决于负载，但通常小于 2 A。
• J2 - GND：VIN 的返回连接。
• J3 - VINLDO/GND：LDO1 和 LDO2C 的输入电压和返回。电阻 R20 将此引脚连接到 VDCDC1，如果使用外部电源，需移除 R20，建议最大输入电压为 5.5 V。
• J4 - VSYSIN/GND：VSYSIN 的输入电压和返回，是 RTC 的输入电压之一。电阻 R21 可用于将此输入连接到 VDCDC1，如果使用外部电源，需移除 R21，建议最大输入电压为 4 V。
• J5 - VBACKUP/GND：VBACKUP 的输入电压和返回，是 RTC 的输入电压之一，板上没有连接到电压输入，建议最大输入电压为 4 V。
• J6 - VRTC/GND：RTC 电路的输出电压。
• J7 - 故障输出：该连接器上有四个故障输出，包括 PWRFAIL（输入电压低于 3 V 时发生故障）、INT（输入或输出电压出现故障时发生故障）、RESPWRON（由 SW1 控制的低复位信号，持续 144 ms）和 LOWBAT（输入电压低于 3.6 V 时发生故障）。
• J8 - USB：该接头复制了 J20 接口连接器的信号。
• J9 - VDCDC1：DCDC1 开关稳压器的输出，最大输出电流为 1.2 A，默认电压设置为 3.3 V。
• J10 - GND：VDCDC1 的返回。
• J11 - VDCDC2：DCDC2 开关稳压器的输出，最大输出电流为 1 A，默认电压设置为 2.5 V。
• J12 - GND：VDCDC2 的返回。
• J13 - VLDO1：低压差稳压器 VLDO1 的输出，最大输出电流为 200 mA，默认值为 1.1 V。
• J14 - GND：VLDO1 的返回。
• J15 - VLDO2：低压差稳压器 VLDO2 的输出，最大输出电流为 200 mA，默认值为 1.3 V。
• J16 - GND：VLDO2 的返回。
• J17 - VDCDC3：开关稳压器 DCDC3 的输出，最大输出电流为 800 mA，默认值为 1.55 V。
• J18 - GND：VDCDC3 的返回。
• J19 - USB：USB 接口连接器。
• JP1 - DEF1：设置 DCDC1 的默认电压，可选 1.2 V 或 1.6 V。
• JP2 - DEF2：设置 DCDC2 的默认电压，可选 3.3 V 或 1.8 V。
• JP3 - DEF3：设置 DCDC3 的默认电压，可选 3.3 V 或 1.8 V。
• JP4 - DCDC1 ON/OFF：DCDC1 转换器的开关控制，默认设置为开启。
• JP5 - DCDC2 ON/OFF：DCDC2 转换器的开关控制，默认设置为开启。
• JP6 - DCDC3 ON/OFF：DCDC3 转换器的开关控制，默认设置为开启。
• JP7 - LDO ON/OFF：LDO1 和 LDO2 稳压器的开关控制，默认设置为开启。
• JP8 - DEFLDO1：与 DEFLDO2 组合设置 LDO1 和 LDO2 的默认电压。
• JP9 - DEFLDO2：与 DEFLDO1 组合设置 LDO1 和 LDO2 的默认电压。
• S1 - HOT_RST：一个常开的瞬时按钮开关，按下时将 TPS65023 的 HOT_RST 输入连接到 GND，产生 HOT_RESET 脉冲，HOT_RESET 引脚外部上拉。

2. 具体设置步骤

在操作评估模块之前，需要遵循以下步骤：

1. 安装 TPS65023EVM 软件。
2. 将输入电压和负载连接到评估模块。
3. 将所有评估模块的跳线配置为出厂设置，具体如下：
   • JP4 - ON
   • JP1 - 1.6V
   • JP3 - 1.8V
   • JP2 - 1.8V
   • JP5 - ON
   • JP6 - ON
   • JP7 - ON
   • JP9 - High
   • JP8 - High
4. 在评估模块和 USB-TO-GPIO（HPA172）适配器之间连接带状电缆。
5. 在计算机和 HPA172EVM 之间连接 USB 电缆。
6. 打开所有电源。
7. 运行 TPS65023EVM 软件。

四、电路板布局

1. 布局重要性

电路板布局对于所有开关模式电源都至关重要。TPS65023EVM-205 PWB 的电路板布局通过图 1 至图 5 展示，高开关频率和电流的节点较短，并与对噪声敏感的反馈电路隔离，同时对高频电流环路的布线给予了仔细考虑。具体的布局指南可参考数据手册。

2. 各层布局说明

• 图 1 - 装配层：展示了电路板的整体装配情况。
• 图 2 - 顶层布线：呈现了顶层的布线方式。
• 图 3 - 第 2 层布线，接地平面：说明了第 2 层的布线以及接地平面的设置。
• 图 4 - 第 3 层布线，Vin 平面：展示了第 3 层的布线和 Vin 平面的情况。
• 图 5 - 底层布线：呈现了底层的布线布局。

五、原理图和物料清单

1. 原理图

图 6 展示了 TPS65023EVM-205 的原理图，为工程师提供了电路连接的详细信息。

2. 物料清单

物料清单列出了评估模块所需的各种组件，包括电容、电感、电阻、连接器、开关和 IC 等，具体信息如下：	Count	RefDes	Value	Description	Size	Part Number	MFR
9	C1, C2, C4, C9 - C11, C14 - C16	10 µF	Capacitor, ceramic, 6.3 V, X5R, 10%	0805	C2012X5R0J106K	TDK
2	C12, C13	2.2 µF	Capacitor, ceramic, 6.3 V, X5R, 10%	0603	C1608X5R0J225K	TDK
4	C3, C6, C7, C17	1.0 µF	Capacitor, ceramic, 6.3 V, X5R, 10%	0603	C1608X5R0J105K	TDK
1	C5	1500 pF	Capacitor, ceramic, 50 V, X7R, 10%	0603	C1608X7R1H152K	TDK
2	C8, C18	2.2 µF	Capacitor, ceramic, 6.3 V, X5R, 10%	0603	C1608X5R0J225K	TDK
16	J1 - J6, J9 - J18		Header, 2 pin, 100 mil spacing, (36 - pin strip)	0.100 × 2	PTC36SAAN	Sullins
1	J20		Connector, Male straight 2c5 pin, 100 mil spacing, 4 wall	0.33 × 0.788	2510 - 6002UB	3M
2	J7, J8		Header, 4 pin, 100 mil spacing, (36 - pin strip)	0.100 × 4	PTC36SAAN	Sullins
9	JP1 - JP9		Header, 3 pin, 100 mil spacing, (36 - pin strip)	0.100 × 3	PTC36SAAN	Sullins
2	L1, L2	2.2 µH	Inductor, SMT, 1.72A, 59 mΩ	0.157 × 0.157	VLCF4020T - 2R2N1R7	TDK
1	L3	2.2 µH	Inductor, SMT, 1.5A, 87 mΩ	0.137 × 0.147	VLF4012AT - 2R2M1R5	TDK
0	R1 - R6, R17, R18, R21	Open	Resistor, chip, 1.16W, 1%	0603
1	R10	499k	Resistor, chip, 1.16W, 1%	0603	Std	Std
2	R15, R16	4.75k	Resistor, chip, 1.16W, 1%	0603	Std	Std
2	R19, R20	0	Resistor, chip, 1.16W, 1%	0603	Std	Std
6	R7, R11 - R14, R22	100k	Resistor, chip, 1.16W, 1%	0603	Std	Std
1	R8	10	Resistor, chip, 1.16W, 1%	0603	Std	Std
1	R9	1.20M	Resistor, chip, 1.16W, 1%	0603	Std	Std
1	SW1		Switch, SPST, PB Momentary, Sealed washable	0.245 × 0.251	KT11P2JM	C & K
1	U1		IC power management IC for Li - Ion powered systems	QFN	TPS65023RSB	TI
1	—		PCB, 3.88 × 2.95 × 0.062 in		HPA205	Any
9	—		Shunt, 100 mil, Black	0.100	929950 - 00	3M

六、重要注意事项

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，不被视为适合一般消费者使用的成品。处理该产品的人员必须具备电子培训，并遵守良好的工程实践标准。评估板不满足欧盟关于电磁兼容性、有害物质限制（RoHS）、回收（WEEE）、FCC、CE 或 UL 的指令，可能不符合这些指令或其他相关指令的技术要求。

2. 保修和责任

如果评估板不符合用户指南中规定的规格，可在交付日期起 30 天内退还以获得全额退款。用户承担货物正确和安全处理的所有责任和义务，并对因货物处理或使用产生的所有索赔向德州仪器进行赔偿。由于产品的开放式结构，用户有责任采取所有适当的静电放电预防措施。

3. 操作范围限制

重要的是在输入电压范围 3.3 V 至 5.5 V 和输出电压范围 0.8 V 至 3.3 V 内操作该评估模块。超出指定的输入范围可能导致意外操作和/或对评估模块造成不可逆转的损坏。如果对输入范围有疑问，请在连接输入电源之前联系 TI 现场代表。施加超出指定输出范围的负载可能导致意外操作和/或对评估模块造成永久性损坏。在连接任何负载到评估模块输出之前，请查阅评估模块用户指南。如果对负载规格不确定，请联系 TI 现场代表。

4. 温度注意事项

在正常操作期间，一些电路组件的外壳温度可能超过 60°C。只要保持输入和输出范围，评估模块设计为在某些组件温度高于 60°C 的情况下仍能正常工作。这些组件包括但不限于线性稳压器、开关晶体管、功率晶体管和电流感测电阻。可以使用评估模块用户指南中的原理图来识别这些类型的设备。在操作期间将测量探头放置在这些设备附近时，请注意这些设备可能会很烫。

总之，TPS65023EVM-205 评估模块为电子工程师提供了一个强大的工具，用于评估和测试 TPS65023 电源管理 IC 的性能。通过遵循本文介绍的设置步骤和注意事项，工程师们可以更好地利用该评估模块进行电源管理设计和开发。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。