TPS543320 SWIFT™ 降压转换器评估模块用户指南
- ZHCUAM2A December 2020 – May 2021 TPS543320

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EVM USER'S GUIDE

TPS543320 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 TPS543320EVM 3A SWIFT™ 稳压器评估模块

本用户指南介绍了 TPS543320EVM 评估模块 (BSR101) 和 TPS543320 直流/直流转换器，还包含 TPS543320EVM 的性能特征、原理图和物料清单。

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1 引言

1.1 背景

TPS543320 直流/直流转换器是一款同步降压转换器，可提供高达 3A 的输出电流。输入电压 (VIN) 的额定值为 4 V 至 18 V。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。

TPS543320 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 TPS543320 实现高效率，并在额定输出电流的情况下帮助保持低结温。固定频率高级电流模式控制允许您将稳压器与外部时钟源同步。外部分压器能实现可调节的输出电压。TPS543320 FSEL 和 MODE 引脚提供可选开关频率、软启动时间、电流限制和内部补偿功能。最后，TPS543320 包括一个使能引脚和一个电源正常输出，可用于对多个稳压器进行时序控制。

该评估模块包括 TPS543320 的两种设计。第一种设计旨在演示使用 TPS543320 稳压器进行设计时，可实现减小印刷电路板面积。小面积设计适合 100mm² 以内。第二种设计旨在演示使用 TPS543320 稳压器进行设计时，可提升效率。第二种设计还包括可用于简单评估 TPS543320 功能的跳线。

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
TPS543320EVM	V_IN = 4 V 至 18 V	0A 至 3A

1.2 准备工作

为确保使用 TPS543320EVM 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。

警告

TPS543320EVM 在运行期间可能会因某些运行条件下的电源散热而变烫。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。

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：

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。

1.3 性能特性汇总

表 1-2 和表 1-3 中提供了 TPS543320EVM 性能特性的汇总。TPS543320EVM 在 V_IN = 4V 至 18V 的条件下进行设计和测试。除非另有说明，否则这些特性是在 V_IN = 12V 且输出电压为 1.8V 和 3.3V 的条件下得出的。除非另有说明，否则所有测量的环境温度均为室温（20℃ 至 25℃）。

表 1-2 TPS543320EVM 小尺寸 (U1) 性能特点总结

规格	测试条件		最小值	典型值	最大值	单位
V_IN 电压范围			4	12	18	V
输入电流	V_IN = 12V，I_O = 0 A			12		mA
输入电流	V_IN = 5V、I_O = 3A			1.23		A)
V_IN 启动电压	由内部 UVLO 设置			3.95		V
V_IN 停止电压	由内部 UVLO 设置			3.8		V
输出电压设定点				1.8		V
输出电流范围	V_IN = 4V 至 18V		0		3	A
线性和负载调整率	V_IN = 4V 至 18V，I_O = 0A 至 3A			±0.1%
负载瞬态响应	I_O = 0.75A 至 2.25A	电压变化		–75		mV
	I_O = 0.75A 至 2.25A	恢复时间在 ±0.5% 以内		32		µs
	I_O = 2.25A 至 0.75A	电压变化		75		mV
	I_O = 2.25A 至 0.75A	恢复时间在 ±0.5% 以内		32		µs
环路带宽	R_O = 0.72Ω			117		kHz
相位裕度	R_O = 0.72Ω			51		度
输入纹波电压	I_O = 3A			18		mVPP
输出纹波电压	I_O = 3A			16		mVPP
输出上升时间	通过 Mode 引脚电阻器设置			1		ms
电流限值	通过 Mode 引脚电阻器设置			高
开关频率 (f_SW)	通过 FSEL 引脚电阻器设置			1500		kHz
峰值效率	V_IN = 5V、I_O = 1.5A			94.7%
峰值效率	V_IN = 12V、I_O = 2.5A			91.6%
IC 外壳温度	V_IN = 12V，I_O = 3A，浸泡 15 分钟			35.1		℃

表 1-3 TPS543320EVM 高效 (U2) 性能特点总结

规格	测试条件		最小值	典型值	最大值	单位
V_IN 电压范围			4	12	18	V
输入电流	V_IN = 12V，I_O = 0 A			21.8		mA
输入电流	V_IN = 5V、I_O = 3A			2.1		A)
V_IN 启动电压	通过 EN 引脚电阻分压器设置			4.53		V
V_IN 停止电压	通过 EN 引脚电阻分压器设置			3.98		V
输出电压设定点	J14 短引脚 5 和 6			3.3		V
输出电流范围	V_IN = 4 V 至 18 V		0		3	A
线性和负载调整率	V_IN = 4V 至 18V、I_O = 0A 至 3A			±0.1%
负载瞬态响应	I_O = 0.75A 至 2.25A	电压变化		–200		mV
	I_O = 0.75A 至 2.25A	恢复时间在 ±0.5% 以内		28		µs
	I_O = 0.75A 至 2.25A	电压变化		200		mV
	I_O = 0.75A 至 2.25A	恢复时间在 ±0.5% 以内		28		µs
环路带宽	R_O = 1.32Ω，J18 短引脚 3 和 4			56		kHz
相位裕度	R_O = 1.32Ω，J18 短引脚 3 和 4			48		度
输入纹波电压	I_O = 3A			130		mVPP
输出纹波电压	I_O = 3A			130		mVPP
输出上升时间	通过 MODE 引脚电阻器设置，所有默认 J18 选项			1		ms
电流限值	通过 MODE 引脚电阻器设置，J18 短接引脚 1 和 2、3 和 4 或 5 和 6			高
开关频率 (f_SW)	通过 FSEL 引脚电阻器设置，J17 短引脚 3 和 4			1000		kHz
峰值效率	V_IN = 5V、I_O = 1.75A			96.09%
峰值效率	V_IN = 12V、I_O = 2.5A			93.71%
IC 外壳温度	V_IN = 12V，I_O = 3A，浸泡 15 分钟			33.2		℃

2 配置和修改

这些评估模块用于访问 TPS543320 的功能。U2 提供用于测试不同配置的跳线。必须先选择跳线，然后再启用 TPS543320。

如果所需的配置不可用，则可以对此模块进行一些修改。当对 EVM 上的元件进行修改时，可能需要更改通过 MODE 引脚电阻器选择的内部补偿选项。f_SW、输出电压、输出电感器和输出电容器的变化可能需要改变补偿。 TPS543320 数据表公式或 WEBENCH 可用于计算输出电容值、补偿、f_SW 和电感。确保所有元件都具有足够的电压和电流额定值。

2.1 输出电压

在 U1 设计中，输出电压由 R7 (R_FBT) 和 R8 (R_FBB) 构成的电阻分压器网络进行设置。R8 固定为 1.00kΩ，从而将 FB 分压器电流大概设置为 500µA。要更改 EVM 的输出电压，必须更改电阻器 R7 的值。更改 R7 的值可以更改高于 0.5V 参考电压 (V_REF) 的输出电压。特定输出电压的 R7 值可以使用Equation1 计算。更改 R7 后，也可能需要更改前馈电容器 (C8)。

Equation1.

在 U2 设计中，有几种方法可用于设置输出电压。首先，跳线 J14 可用于选择选项，如表 2-1 所示。如果所需的输出电压不可用，则必须更换电阻器。对于低于 0.8V 的输出电压，TI 建议让 J14 保持开路并增大 R21。R21 变成了 R_FBB，所需取值可通过Equation2 计算获得，其中 R_FBT 为 R15。对于高于 0.8V 的输出电压，可以通过更改 R23 至 R26 其中一个电阻器来更改跳线输出电压选项。可通过Equation3 计算 R_FBJ 电阻值，从而获得所需等效 R_FBB 电阻。要将 J14 用于 3.3V 或更高的输出电压，R20 应降低至 499Ω。

Equation2.

Equation3.

表 2-1 VOUT 选择

跳线设置	等效底部 FB 电阻器 (R_FBB)	标称输出电压
开路	R21 = 20.0kΩ	1.2V
引脚 1 短接至引脚 2	(R23+R20)\|\|R21 = 6.08kΩ	1.8V
引脚 3 短接至引脚 4	(R24+R20)\|\|R21 = 4.67kΩ	2.5V
引脚 5 短接至引脚 6 ⁽¹⁾	(R25+R20)\|\|R21 = 3.67kΩ	3.3V
引脚 7 短接至引脚 8	(R26+R20)\|\|R21 = 2.54kΩ	5.0V

(1) 默认设置

2.2 开关频率（FSEL 引脚）

在 U2 设计中，跳线 J17 可用于在开关频率选项之间进行选择，如表 2-2 所示。如果所需的选项不可用，请将其中一个电阻器更改为设置所需选项的值。

在 U1 设计中，将 FSEL 电阻器更改为设置所需选项的值。

表 2-2 FSEL 选择

跳线设置	FSEL 电阻器	开关频率
引脚 1 短接至引脚 2	17.4kΩ	750 kHz
引脚 3 短接至引脚 4 ⁽¹⁾	11.8kΩ	1000kHz
引脚 5 短接至引脚 6	8.06kΩ	1500 kHz
引脚 7 短接至引脚 8	4.99kΩ	2200 kHz

(1) 默认设置

2.3 电流限制、软启动时间和内部补偿（MODE 引脚）

在 U2 设计中，跳线 J18 可用于在电流限制、软启动时间和内部补偿选项之间进行选择，如表 2-3 所示。如果所需的选项不可用，请将其中一个电阻器更改为设置所需选项的值。

在 U1 设计中，将 MODE 电阻器更改为设置所需选项的值。

表 2-3 模式选择

跳线设置	MODE 电阻器	电流限制	软启动时间	斜坡
引脚 1 短接至引脚 2	2.21kΩ	高	1ms	1pF
引脚 3 短接至引脚 4 ⁽¹⁾	4.87kΩ	高	1ms	2pF
引脚 5 短接至引脚 6	11.3kΩ	高	1ms	4pF
引脚 7 短接至引脚 8	60.4kΩ	低	1ms	2pF

(1) 默认设置

2.4 可调节 UVLO

欠压锁定 (UVLO) 可以通过 U2 R14 (R_ENT) 和 R17 (R_ENB) 从外部进行调节。有关设置外部 UVLO 的详细说明，请参阅。

在 U1 设计中，EN 引脚悬空，因此仅使用器件的内部 UVLO。

3 测试设置和结果

本节介绍了如何正确连接、设置和使用 TPS543320EVM 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、启动和电流限制模式。除非另有说明，否则测量均在以下条件下进行。

12V 输入
室温（20℃ 至 25℃）
具有默认设置输出电压 1V、开关频率 1000kHz 和最大电流限制设置的 U2
禁用另一个转换器

3.1 输入/输出连接

如表 3-1 和表 3-2 中所示，TPS543320EVM 随附输入和输出连接器以及测试点。

为了在默认 EVM 的两个输出端上支持满额定负载的最小输入电压，能够提供大于 3A 电流的电源必须通过一对 20-AWG 或更好的导线连接到 J8。香蕉插孔 J5 和 J9 提供了到输入电源的替代连接。

对于 U1 和 U2，负载必须分别连接到 J2 和 J7。每个连接必须使用一对 20-AWG 或更好的导线。通过最大电流限制的设置，在TPS543320 进入电流限制之前，最大负载电流能力接近 5A。必须尽可能缩短导线长度，从而减少导线中的损耗。

测试点 TP11 提供了一个监测 V_IN 输入电压的位置，而 TP19 提供了便捷的接地基准。在以 TP5 作为接地基准的情况下，TP2 用于监测 U1 输出电压。在以 TP17 作为接地基准的情况下，TP15 用于监测 U2 输出电压。

如果对 TPS543320EVM 进行了修改，输入电流可能会发生变化。输入电源以及将 EVM 连接到电源的导线必须符合额定输入电流要求。

注：

为了使 TPS543320 的 FSEL 引脚能够正确检测并设置开关频率，在启用稳压器之前，该引脚必须检测到接地电阻或外部时钟必须应用于该引脚。如果在没有外部时钟的情况下启动，为了正确检测接地的 FSEL 电阻值，EVM 上的缓冲器必须处于高阻抗模式。必须移除 J15 和 J16 上的分流器，将缓冲器置于高阻抗模式，便于在没有外部时钟的情况下启动。

表 3-1 连接器和跳线

参考标识符	名称	相关 IC	功能
J2	VOUT	U1	将负载连接到输出的 VOUT 螺丝接线端子
J4	EN_OFF	U1	用于实现使能的 2 引脚接头。添加分流器以将 EN 接地并禁用器件。
J5、J9	VIN	两种	用于输入电源正极端子和负极端子的香蕉插孔
J7	VOUT	U2	将负载连接到输出的 VOUT 螺丝接线端子
J8	VIN	两种	用于连接输入电压的 VIN 螺纹接线端子（请参阅表 1-1，以了解 V_IN 范围）
J11	RDIV_VIN	U2	用于使能分压器的 2 引脚接头。移除分流器，将 U2 的 EN 引脚分压器与 VIN 断开。如果移除 J11 分流器并填充 J13 分流器，则 U2 EN 引脚通过分压器中的底部电阻器被拉至接地，从而禁用 U2。
J13	EN_RDIV	U2	用于将使能分压器连接到 U2 的 2 引脚接头移除分流器来悬空 U2 的 EN 引脚，从而可以使用内部 UVLO 启用 U2。
J14	VOUT Select	U2	VOUT 选择接头。使用分流器设置输出电压。请参阅表 2-1。
J15	ENSYNC_U1	U1	将 U1 缓冲器输出使能连接到地的 2 引脚接头。填充分流器来启用缓冲输出。移除分流器使缓冲输出处于高阻抗。
J16	ENSYNC_U2	U2	将 U2 缓冲器输出使能连接到地的 2 引脚接头。填充分流器来启用缓冲输出。移除分流器使缓冲输出处于高阻抗。
J17	FSEL 选择	U2	FSEL 选择接头。通过分流器选择 FSEL 电阻。请参阅表 2-2。
J18	MODE 选择	U2	MODE 选择接头。使用分流器来选择 MODE 电阻。请参阅表 2-3。

表 3-2 测试点

参考标识符	名称	相关 IC	功能
TP1	VIN_U1	U1	VIN 测试点。将其用于效率测量。
TP2	VOUT_U1	U1	VOUT 测试点。将其用于效率、输出调节和波特图测量。
TP3	SW_U1	U1	SW 节点阻焊层开孔
TP4	PGND_U1	U1	PGND 测试点
TP5	PGND_EFF_U1	U1	PGND 测试点。将其用于效率测量。
TP6	PGOOD_U1	U1	PGOOD 测试点
TP7	EN_U1	U1	EN 测试点。如果施加外部电压，则必须将其保持在 EN 引脚的 6V 绝对最大值以下。
TP8	AGND_U1	U1	AGND 测试点
TP9	BODE_U1	U1	分压器网络和输出电压之间的测试点。用于波特图测量。
TP10	VOUT_U1	U1	用于测量输出电压的 SMB 连接器。使用此测试点时，应将示波器设置为 1MΩ 端接电阻。使用 50Ω 端接电阻时，会创建一个 2:1 分压器。
TP11	VIN	两种	输入端子附近的 VIN 测试点
TP12	VIN_U2	U2	VIN 测试点。将其用于效率测量。
TP13	SW_U2	U2	SW 节点阻焊层开孔
TP14	SW_U2	U2	SW 节点测试点
TP15	VOUT_U2	U2	VOUT 测试点。将其用于效率、输出调节和波特图测量。
TP16	PGND_U2	U2	PGND 测试点
TP17	PGND_EFF_U2	U2	PGND 测试点。将其用于效率测量。
TP18	PGOOD_U2	U2	PGOOD 测试点
TP19	PGND	两种	输入端附件的 PGND 测试点
TP20	AGND_U2	U2	AGND 测试点
TP21	BP5_U2	U2	BP5 测试点
TP22	BODE_U2	U2	分压器网络和输出电压之间的测试点。用于波特图测量。
TP23	EN_U2	U2	EN 测试点。如果施加外部电压，则必须将其保持在 EN 引脚的 6V 绝对最大值以下。
TP24	VO_ADJ	U2	向 FB 分压器注入电流以调整直流输出电压或向 FB 注入阶跃以测试 OVP 的测试点
TP25	VO_2NDSTG	U2	添加到 EVM 后，在第二级滤波器后测量输出电压的测试点。
TP26	SYNC	两种	SYNC 测试点。向该测试点提供一个外部时钟，使两个稳压器与之同步。
TP27	FSEL	U2	FSEL 测试点
TP28	SW_U2	U2	用于测量 SW 节点的 SMB 连接器。使用此测试点时，应将示波器设置为 50Ω 端接电阻。50Ω 端接电阻和 450Ω 串联电阻的组合产生了 10:1 的衰减。
TP29	VOUT_U2	U2	用于测量输出电压的 SMB 连接器。使用此测试点时，应将示波器设置为 1MΩ 端接电阻。使用 50Ω 端接电阻时，会创建一个 2:1 分压器。
TP30	VO_2NDSTG	U2	添加到 EVM 后，用于测量第二级滤波器后的输出电压的 SMB 连接器。使用此测试点时，应将示波器设置为 1MΩ 端接电阻。使用 50Ω 端接电阻时，会创建一个 2:1 分压器。
TP31	FGEN	两种	将函数发生器连接到负载瞬态电路的测试点。缓慢增加振幅并改变函数发生器的压摆率，从而获得所需的负载阶跃。
TP32	ISNS	两种	用于测量负载瞬态电路中电流的测试点。增益为 10A/V。
TP33	PGND	两种	用于负载瞬态电路的 PGND 测试点
TP34	MODE	U2	MODE 测试点

3.2 效率

图 3-1 至图 3-4 显示了 TPS543320EVM 两种设计的效率。使用 U2 的选择跳线时，包括不同输出电压和开关频率组合的结果。表 3-3 中列举的测试点用于效率测量。使用这些测试点可尽可能降低 PCB 寄生功率损耗对测量功率损耗的影响。

以下是一些额外的测试设置注意事项，用于尽可能减少外部功率损耗来源。

禁用其他稳压器来避免在效率测量中包含该稳压器的开关静态电流。
在测量 U2 的效率时，不要用 TP28 测量 U2 的 SW 引脚。使用该测试点测量 SW 引脚会为该节点加载 500Ω 电阻，效率测量包括该外部电阻中的功率损耗。
移除 J11 和 J13 的分流器，因为连接到 U2 的 EN 电阻分压器会消耗少量功率。

表 3-3 效率测量测试点

相关 IC	测试点名称	参考标识符	功能
U1	VIN_U1	TP1	连接在 U1 引脚附近的输入电压测试点
	VOUT_U1	TP2	U1 输出电感附近的输出电压测试点
	PGND_EFF_U1	TP5	通过开尔文连接方式连接到 U1 附近的输入和输出电压的 PGND 参考测试点
U2	VIN_U2	TP12	连接在 U2 引脚附近的输入电压测试点
	VOUT_U2	TP15	U2 输出电感附近的输出电压测试点
	PGND_EFF_U2	TP17	通过开尔文连接方式连接到 U2 附近的输入和输出电压的 PGND 参考测试点

V_OUT = 1.8V

f_SW = 1500 kHz

图 3-1 U1 效率

V_IN = 12V

f_SW = 1000 kHz

图 3-3 U2 效率 – 具有不同输出电压的 1000kHz 开关频率

V_OUT = 3.3V

f_SW = 1000 kHz

图 3-2 U2 效率 – 默认配置

V_IN = 9V

V_OUT = 3.3V

图 3-4 U2 效率 – 具有不同开关频率的 3.3V 输出

3.3 输出电压调节

图 3-5 和图 3-6 显示了 U1 的负载和线性调整率。图 3-7 和图 3-8 显示了 U2 的负载和线性调整率。

图 3-5 U1 负载调节

图 3-7 U2 负载调节

图 3-6 U1 线性调整率

图 3-8 U2 线性调整率

3.4 负载瞬态和环路响应

图 3-9 和图 3-10 显示了两种设计对负载瞬态的响应。电流阶跃为 0.75A 至 2.25A，电流阶跃压摆率为 1A/µs。电子负载用于提供直流 0.75A 负载，EVM 上的负载瞬态电路用于提供 1.5A 阶跃。VOUT 电压通过 TP10 和 TP29 分别为 U1 和 U2 测量。

当使用 TPS543320EVM 中包含的负载瞬态电路时，针对所需的负载阶跃幅度缓慢增加函数发生器的振幅，然后针对所需的压摆率改变上升和下降时间。负载阶跃的电流可通过 ISNS 测试点进行感测。EVM 上的默认电阻器提供 10A/V 的增益。通过该增益，1.5A 阶跃将在 ISNS 测试点产生 150mV 的电压。

注：

要将负载瞬态电路与 U1 一起使用，请将 R27 移至 R28。

图 3-11 和图 3-12 显示了两种设计的环路特性。所示为 V_IN 电压为 12V 且电阻负载为 0.72Ω 或 1.32Ω 的增益和相位图。