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  • TPS54A20 SWIFT™ 降压转换器评估模块用户指南

    • ZHCUAH5B December   2015  – August 2021 TPS54A20

       

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  • TPS54A20 SWIFT™ 降压转换器评估模块用户指南
  1.   TPS54A20EVM-770 10A、SWIFT 稳压器评估模块
  2.   商标
  3. 1引言
    1. 1.1 准备工作
    2. 1.2 背景
    3. 1.3 性能规格汇总
    4. 1.4 更改
      1. 1.4.1 输出电压设定点
      2. 1.4.2 导通时间
      3. 1.4.3 可调节 UVLO
  4. 2测试设置和结果
    1. 2.1  输入/输出连接
    2. 2.2  效率
    3. 2.3  输出电压负载调整率
    4. 2.4  输出电压线性调整率
    5. 2.5  负载瞬态
    6. 2.6  环路特性
    7. 2.7  输出电压纹波
    8. 2.8  输入电压纹波
    9. 2.9  上电
    10. 2.10 热像图
  5. 3电路板布局
    1. 3.1 布局
  6. 4示意图和物料清单
    1. 4.1 原理图
    2. 4.2 物料清单
  7. 5修订历史记录
  8. 重要声明
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EVM USER'S GUIDE

TPS54A20 SWIFT™ 降压转换器评估模块用户指南

本资源的原文使用英文撰写。 为方便起见，TI 提供了译文；由于翻译过程中可能使用了自动化工具，TI 不保证译文的准确性。 为确认准确性，请务必访问 ti.com 参考最新的英文版本（控制文档）。

1 TPS54A20EVM-770 10A、SWIFT 稳压器评估模块

本用户指南包含 TPS54A20EVM-770 评估模块 (PWR770) 以及 TPS54A20 直流/直流转换器的信息，还包含 TPS54A20EVM-770 的性能规格、原理图和物料清单。

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1 引言

1.1 准备工作

为确保使用 TPS54A20EVM-770 的人或在其附近工作的任何人的安全，请注意以下警告和注意事项。请遵循所有安全防护措施。

GUID-B1793315-3BAB-4409-8861-589F6F96471D-low.png警告TPS54A20EVM-770 电路模块在运行期间可能会因散热而变烫。切勿接触电路板。请遵守适用于相关实验室的所有安全规程。
GUID-0B757A9E-615A-487A-9F6D-4DE8EA54532B-low.gif注意请勿在无人照看的情况下使该 EVM 通电。
警告：

电路模块的板底上有信号迹线、元件和元件引线。 这可能会导致电压、高温表面或尖锐的边缘暴露在外面。操作过程中请勿触摸电路板的底部。

警告：

电路模块可能会因过热而损坏。为避免损坏，请在评估期间监测温度并根据需要使系统环境冷却。

警告：

某些电源会因施加外部电压而损坏。如果使用 1 个以上的电源，请检查您的设备要求并根据需要使用阻断二极管或其他隔离技术，以防止设备损坏。

1.2 背景

TPS54A20 直流/直流转换器是一款两相同步串联电容器降压转换器，旨在提供高达 10A 输出电流。输入电压 (VIN) 的额定值为 8V 至 14V。表 1-1 中给出了评估模块的额定输入电压和输出电流范围。此评估模块旨在演示使用 TPS54A20 稳压器进行设计时，可减小印刷电路板面积。开关频率在外部设置为每侧 2MHz 标称值，有效频率为 4MHz。TPS54A20 封装内部采用了高侧和低侧 MOSFET 以及栅极驱动电路。MOSFET 的低漏源导通电阻有助于 TPS54A20 实现高效率，并在输出电流较高的情况下帮助保持低结温。补偿元件位于集成电路 (IC) 内部，而外部分压器能够实现可调节的输出电压。此外，TPS54A20 还提供可调节慢启动和欠压锁定输入。开关时绝对最大输入电压为 15V，非开关条件下的绝对最大输入电压为 17V。

表 1-1 输入电压和输出电流汇总
EVM输入电压范围输出电流范围
TPS54A20EVM-770VIN = 9.2 V 至 14 V0A 至 10A

1.3 性能规格汇总

表 1-2 中提供了 TPS54A20EVM-770 性能规格的汇总。除非另有说明，给出的规格适用于 VIN = 12V 输入电压和 1.2V 输出电压。TPS54A20EVM-770 的设计和测试条件是，VIN = 9.2V 至 14V。除非另有说明，所有测量的环境温度均为 25°C。

表 1-2 TPS54A20EVM-770 性能规格汇总
规格测试条件最小值典型值最大值单位
VIN 电压范围9.21214V
VIN 启动电压9.39V
VIN 停止电压9.14V
输出电压设定点1.2V
输出电流范围VIN = 9.2 V 至 14 V010A
线性调整率IO = 5A，VIN = 9.2V 至 14V±0.04%
负载调整率VIN = 12V，IO = 0A 至 10A±0.03%
负载瞬态响应IO = 0A 至 9A电压变化–60mV
恢复时间60µs
IO = 9A 至 0A电压变化60mV
恢复时间60µs
环路带宽VIN = 12V，IO = 5 A280kHz
相位裕度VIN = 12V，IO = 5A45度
输入纹波电压IO = 10A90mVPP
输出纹波电压IO = 10A20mVPP
输出上升时间512µs
运行频率2MHz
最大效率TPS54A20EVM-770，VIN = 9V，IO = 5A84.7%

1.4 更改

这些评估模块用于访问 TPS54A20 的功能。此模块可能会做出一些修改。

1.4.1 输出电压设定点

输出电压由 R9 (R(TOP)) 和 R7 (R(BOT)) 构成的电阻分压器网络进行设置。R7 固定为 14.3kΩ。若要改变 EVM 的输出电压，需要改变电阻器 R9 的阻值。更改 R9 的值可以更改高于 0.508V 参考电压 VREF 的输出电压。特定输出电压的 R9 值可以使用Equation1 计算。

Equation1. GUID-3C7DCEAE-E78D-4EB5-A9CE-ADC2C83A5B43-low.gif

1.4.2 导通时间

TON 引脚需要一个电阻器来设置标称导通时间并支持输入电压前馈电路。使用的电阻值也会影响控制器中的内部斜坡。使用Equation2 来选择 TON 电阻器。

Equation2. GUID-198C9A53-8ADD-49EF-9FA6-49443C7EC137-low.gif

为此设计示例选择的 RTON 电阻器为 22.1kΩ。在启动期间，转换器使用通过 TON 编程的标称导通时间。锁相环 (PLL) 仅在启动完成后运行。当 PLL 启用时，导通时间会进行调整。如果通过 TON 引脚编程的标称导通时间不接近 PLL 启用时的导通时间，则器件的 SYNC 范围可能会减小。还可以调节 TON 电阻器以调整控制器。降低 RTON 值将增加内部斜坡高度。这将降低转换器对噪声和抖动的敏感度，但也会降低转换器的瞬态响应能力。

1.4.3 可调节 UVLO

欠压锁定 (UVLO) 可以使用 R2 (REN(TOP)) 和 R3 (REN(BOT)) 从外部进行调节。该 EVM 设置的启动电压为 9.385V，停止电压为 9.144V，使用 R2 = 80.6kΩ、R3 = 12.4kΩ。使用Equation3 和Equation4 计算不同启动和停止电压所需的电阻值。IEN(FALL) = 4µA、IEN(RISE) = 1µA 且 VEN = 1.23V

Equation3. GUID-366A8DCC-8D33-4F94-B428-A8154C102683-low.gif
Equation4. GUID-71B0FD10-1612-4D1A-9860-D7C97E95F28F-low.gif

2 测试设置和结果

本节介绍了如何正确连接、设置和使用 TPS54A20EVM-770 评估模块。另外还包括评估模块的典型测试结果以及效率、输出电压调整率、负载瞬态、环路响应、输出纹波、输入纹波和启动。

2.1 输入/输出连接

如表 2-1 中所示，TPS54A20EVM-770 附带输入/输出连接器和测试点。必须通过一对 20 AWG 或更适合的导线将能够提供 2A 以上电流的电源连接到 J1。必须通过一对 20 AWG 或更适合的导线将负载连接到 J4。最大负载电流能力为 10A。必须尽可能减少导线长度以降低线损。测试点 TP1 提供了一个监测 VIN 输入电压的位置，而 TP2 提供了便捷的接地基准。在以 TP8 作为接地基准的情况下，TP7 用于监测输出电压。

表 2-1 EVM 连接器和测试点
参考标识符功能
J1VIN 输入电压连接器。（有关 VIN 范围，请参阅表 1-1。）
J2用于实现使能的 2 引脚接头。将 EN 接地可禁用，断开可启用。
J3外部 VG+ 接头为了提高转换器效率，建议将外部 5V 电源连接到 VG+ 引脚 (J3-2) 与 GND (J3-1)。
J4VOUT，10A 时为 1.2V（最大值）。
TP1VIN 测试点。
TP2GND 连接器上的 VIN 测试点。
TP3PGOOD 测试点。
TP4SYNC 测试点。
TP5VG+ 测试点。
TP6分压器网络和输出之间的测试点。用于环路响应测量。
TP7输出电压测试点。
TP8GND 测试点
TP9瞬态负载电路栅极的测试点。
TP10瞬态负载电路输入端的 GND 测试点。
TP11瞬态负载电路负载电阻器顶部的测试点
TP12瞬态负载电路负载电阻器底部 (GND) 的测试点
TP13模拟地 (AGND) 测试点。

2.2 效率

此 EVM 的效率在负载电流约为 5A 时达到峰值，然后随着负载电流向满负载增加而降低。图 2-1 显示了 TPS54A20EVM-770 在 25°C 环境温度条件下的效率。

GUID-D2152302-6479-4942-96F8-E5D0DCBE7A64-low.gif图 2-1 TPS54A20EVM-770 效率

图 2-2 显示了 TPS54A20EVM-770 的效率；这里使用了半对数标度，以便更轻松地显示较低输出电流条件下的效率。环境温度为 25°C。

GUID-B509100F-D016-41DA-9285-D0EF20B13FF4-low.gif图 2-2 TPS54A20EVM-770 低电流效率

由于内部 MOSFET 漏源电阻的温度变化，在较高的环境温度下，效率可能会较低。

2.3 输出电压负载调整率

图 2-3 显示了 TPS54A20EVM-770 的负载调整率。

GUID-919EEB23-232F-4166-A5A2-850424C25B61-low.gif图 2-3 TPS54A20EVM-770 负载调整率

测量值为在 25°C 环境温度下的值。

2.4 输出电压线性调整率

图 2-4 显示了 TPS54A20EVM-770 的线性调整率。

GUID-DE6FED1D-912A-49E9-B792-625A96870A63-low.gif图 2-4 TPS54A20EVM-770 线性调整率

2.5 负载瞬态

图 2-5 显示了 TPS54A20EVM-770 对负载瞬态的响应。电流阶跃为 0A 至 9A。电流阶跃压摆率为 9A/µs。总峰峰值电压变化如图所示，包括输出上的纹波和噪声。瞬态波形使用板载快速瞬态电路进行测量。

警告：

Q1 可能变热。将功率耗散限制为 3W 或更低。使用低占空比。

GUID-DE0A9556-6F68-4210-AAD7-C386CAE20AD1-low.gif图 2-5 TPS54A20EVM-770 瞬态响应

2.6 环路特性

图 2-6 显示了 TPS54A20EVM-770 环路响应特征。所示为 VIN 电压为 12V 时的增益和相位曲线图。测量的负载电流为 5A。

GUID-F244ACAB-B191-4281-854A-8EB0F01C1507-low.gif图 2-6 TPS54A20EVM-770 环路响应

2.7 输出电压纹波

图 2-7、图 2-8 和图 2-9 显示了 TPS54A20EVM-770 输出电压纹波。负载电流为 0A、5A 和 10A。VIN = 12V。纹波电压直接在 TP7 和 TP8 上测量。

GUID-8F75B487-8A51-401A-9C3F-C7AE674059B3-low.gif图 2-7 TPS54A20EVM-770 输出纹波，0A 负载
GUID-E427206A-3692-4868-B187-100A9A97FAE4-low.gif图 2-8 TPS54A20EVM-770 输出纹波，5A 负载
GUID-D0948CD2-5233-49EE-96EC-FAA3D5903AD2-low.gif图 2-9 TPS54A20EVM-770 输出纹波，10A 负载

2.8 输入电压纹波

图 2-10图 2-11 和图 2-12 显示了 TPS54A20EVM-770 输入电压纹波。负载电流为 0A、5A 和 10A。VIN = 12V。纹波电压直接在 TP1 和 TP2 上测量。

GUID-D8CACD40-B871-4C82-8CF5-A0E55D56F5B9-low.gif图 2-10 TPS54A20EVM-770 输入纹波，0A 负载
GUID-81B72CB8-3512-4D5C-8B12-950D1EB9D5FC-low.gif图 2-11 TPS54A20EVM-770 输入纹波，5A 负载
GUID-ED24718A-B14F-4145-8F2B-B2780EC6E03A-low.gif图 2-12 TPS54A20EVM-770 输入纹波，10A 负载

2.9 上电

图 2-13 和图 2-14 显示了 TPS54A20EVM-770 的启动波形。在图 2-13 中，一旦输入电压达到由 R2 和 R3 电阻分压器网络设置的 UVLO 阈值，输出电压就会上升。在图 2-14 中，最初施加输入电压，并通过在 J2 上使用跳线将 EN 连接至 GND 来禁止输出。当跳线被移除时，EN 被释放。当 EN 电压达到使能阈值电压时，启动序列开始、输出电压斜升至 1.2V 的外部设置值。这些图中的输入电压为 12V、负载为 1Ω。

GUID-AAB00CED-15BC-4B38-BC2B-020016F52658-low.gif图 2-13 TPS54A20EVM-770 相对于 VIN 的启动
GUID-8FCC90DE-AB03-4F3C-814E-2DE510D79A40-low.gif图 2-14 TPS54A20EVM-770 相对于使能的启动

2.10 热像图

EVM 热像图如图 2-15 所示。输入电压为 12V，输出电流为 10A。在采集图像之前，让 EVM 以 10A 满负载电流运行 45 分钟以上。

GUID-11192B46-1E0C-4FB0-9776-5C5FD3A706EA-low.gif图 2-15 热像图

 
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