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德州仪器TPS54229EEVM-056电源模块评测

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    [LV.9]以坛为家II

    发表于 2014-6-24 00:21:20 |显示全部楼层
    随着时代的发展,在工业控制应用领域中,目前的微控制器产品不在是8位单片机一统天下的格局。随着各大半导体厂家推出的16位、32位机型号不断涌现,现在的微控制器(MCU)性能越来越好,价格越来越低,已经逐步开始替代8位机产品,在涉及复杂算法处理,图形显示、电机控制、实时控制方面,32位机目前已经成为了主流应用,特别是在ARM公司发布Cortex-M0/M3/M4内核后,各大半导体公司都争先推出了各自的代表性产品。这些32位机产品与以前的51产品有很大区别,那就是电压更低,功耗更低。但由此也带来了一些问题,那就是电源系统设计复杂度的提高。在使用51单片机进行产品开发的年代,在电源系统中,采用一片或多片诸如线性稳压器7805,开关电源芯片LM2575/LM2596这样的DC-DC就能解决大部分问题。而现在我们面对的32位ARM内核的处理器,大部分采用3.3V电源供电,这样意味着在一个面向综合应用的控制板系统中,所需的电源至少是5V和3.3V并存的局面。在搭建3.3V供电的微控制器外围电路中,采用117这样的线性稳压器明显存在供电不足的问题。采用多片级联又会增加电路面积和成本,这样看来,选择合适的电源芯片对这些高速高性能的MCU来说,非常关键!
    我们知道,工业应用领域,一般的控制设备接入的是24V(12V)直流电。对于5V和3.3V混合电源系统来说,同时采用24V(12V)到5V和24V(12V)到3.3V的转换电源芯片是不太实际的,这样做的话,成本太高。通常的做法就是采用二级电路:首先将24V(12V)降压到5V,然后再将5V降压到3.3V。在第一级电路中,采用DC-DC开关降压稳压器实现;第二级电路中,采用LDO线性稳压器实现。电源电路这样设计的好处在于,前者转换效率高、发热量小,但输出电压精度不高,纹波较大,电路需要的外部元件较多,对电感和电容要求较高,占用PCB面积较大;后者电路简单,外部仅需接入几个滤波电容即可,因而成本低,噪音低,静态电流小,在压差接近时,效率较高,压差很大时,发热量大,效率也低。由此可见,将两个不同架构的电源芯片结合起来,可以实现一个比较完美的电源电路方案。注意:在这个电源电路方案中,第一级电路的实现是非常关键的一环。在一个针对12V供电系统的具体应用中,采用德州仪器的TPS54229E实现12V到5V的降压转换,是一个非常不错的方案。
    近日,本人拿到了一款德州仪器的TPS54229EEVM -056电源评估板,它是一款用于具有 Eco-Mode 模式的 TPS54229E 同步降压 DCAP2 模式转换器的评估模块。该模块工作于4.5V至18V输入,并可以提供一个1V至6.5V的输出。下面为大家分享一下用该模块实现的12V到5V的电路测试过程。
    在让大家认识这个评估模块之前,先来了解一下板子搭载的核心—TPS54229E芯片。
    TPS54229E是一款自适应接通时间 D-CAP2 模式同步降压型转换器。它为系统设计人员提供了一个低成本、低组件数量和低待机电流的解决方案,来完成各种终端设备的电源总线调节器套件的设计。TPS54229E 的主控制环路采用 D-CAP2 模式控制,无需外部补偿组件便可实现快速瞬态响应 。自适应接通时间控制可在更高负载状态下的 PWM 模式与轻负载下的 Eco-mode™ 工作之间实现无缝转换。 Eco-mode™ 使 TPS54229E 能够在较轻负载状况下保持高效率。此外,TPS54229E 的专有电路还使这个设备能够采用诸如 POSCAP 或 SP-CAP 等低等效串联电阻 (ESR) 输出电容器以及超低 ESR 陶瓷电容器。该器件的工作输入电压为:4.5V—18V, 输出电压可在0.76 V与 7 V 之间进行编程。此外,该器件还支持可调软启动时间。TPS54229E用了8-引脚DDA封装,占用PCB空间较小,设计工作温度范围为 –40°C 到 85°C,可以满足一般工业控制设备的应用,它价格在7元左右,适合用于中端控制设备。
    它的特性如下:
    1、D-CAP2 模式支持快速瞬态响应;
    2、低输出纹波并支持陶瓷输出电容器;
    3、宽 VIN 输入电压范围: 4.5 V 至 18 V;
    4、输出电压范围: 0.76 V 至 7.0 V;
    5、高效率集成型 FET;
    6、针对更低占空比应用进行了优化 ;
    7、支持 160 mΩ (高侧)与 110 mΩ (低侧)MOSFET;
    8、高初始带隙参考精度;
    9、可调软启动;
    10、预偏置软启动;
    11、650-kHz 开关频率 (fSW) ;
    12、逐周期限流;
    13、自动跳跃Eco-mode 以实现轻负载时的高效率;
    下面是它的原理框图:

    其中,输出电压是可以调节的,计算公式如下:

    TPS54229EEVM -056 电源评估板,官方售价25美元,实物图片如下:

    TPS54229EEVM -056电源评估板采用了四层板设计,主电源芯片TPS54229E位于板子中间位置;板子左手边接线端子是电压输入端;板子下方接线端子是电压输出端;板子右手边的跳线开关用于使能或关闭TPS54229E电压输出,另外,通过设置不同的电阻阻值可调节输出电压的大小,调节范围:1V-6.5V;评估板默认电阻配置输出电压为:1.05V。
    下图是评估板的一些数据概要,推荐测试温度25℃,在正常情况下,这个条件是很容易满足的。

    此评估板的电路原理图如下:
    可以看出,TPS54229EEVM -056电源评估板在设计时采用了不同的地平面,最后两个地单点接地,因TPS54229E开关频率650KHZ,属于低频电路,电路布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对电路干扰较大,这样单点接地可以有效减小干扰。
    TPS54229EEVM -056电源评估板的默认输出电压测试图:
           采用FLUKE289万用表进行空载输出,测试电压VOUT=1.0592V。

    为了实现5V的电源输出,需要计算一下R1和R2的阻值,并对板子上的电阻进行替换。在TPS54229EEVM-056评估板的说明书中,写明:“For higher output voltages of 1.8 V or above, a feedforward capacitor (C4) may be required to improve phase margin.”意思是,要想输出1.8V以上的电压,必须把原理图中R1下面的C4焊上才行,默认是不焊接的。下图是说明书中自带的输出电压的阻容配置方案表:

    通过此表,我们可以看到,当VOUT=1.05V时,R1=8.25K欧,R2=22.1K欧;当VOUT=5V时,需要R1=124K欧,R2=22.1K欧,C4=5-22PF。按照上面那个公式:VOUT=0.765*(1+R1/R2)进行计算,发现R1/R2=5/0.765-1≈5.536,而按照这个表计算:R1/R2=124/22.1≈5.61。这个比值还是有误差的,比公式值计算稍大一点。看到评估板上焊的是0603封装的电阻和电容,22PF电容常备用,但124K的电阻没有备用,只好将【电阻值/10】作为比值使用。这里采用了一个12K的电阻做分子,另外找了一个2.2K和一个2K的电阻分别做分母比较,这样得到的比值分别为:R1/R2=12/2.2≈5.45; R1/R2=12/2=6,第一个组合比值比5.536小0.086,输出应该比较接近,大约5V;第二个组合比值比5.536大0.464,误差大很多,输出应该大于5V,经过实际测试,验证了猜想结果:
    下面两个图分别是在R1=12K,C4=22PF的情况下,R2=2.2K和R2=2K的测试图:

                当R2=2.2K欧时,VOUT= 4.9539V≈5V
       
    当R2=2K欧时,VOUT=5.3722V>5V,为了确认,用另外一个表测试了一下,VOUT=6.34,这个表误差大,平时测量5V的USB电压都在5.9V左右,减去这个误差,可以认为两个表的测试结果一致。
    鉴于这种情况,果断换下2K,重新换上2.2K的电阻,进行带负载测试。测试图如下:
    输入端电压图:

    输入端电流测试图

    这里没有采用可调电源的度数,是因为两者测量的仪器不统一,可调电源显示的数字输出值是其设备对电压测量的结果,这里统一采用万用表进行测算才是正确的。通过上面两个图我们可以看到,这里的输入电压:Vin=12.126V,Iin=0.0916A,那么输入功率大小:
    Pin = Vin* Iin=12.126*0.0916=1.1107416W。
    输出端电压图:

          输出端电流测试图
         
      通过上面这两个图我们可以看到,这里的输出电压:
    Vout=4.9761V,Iout=0.1982A,
    那么输出功率大小:
    Pout= Vout* Iout=4.9761*0.1982=0.98626302W。
    最后我们可以得到TPS54229E在输出电流IOUT≈0.2A时的转换效率;
    η= Pout/ Pin=(0.98626302/1.1107416)*100%≈ 88.793%;
    最后总结一下:从实际测试效率看,它能有88%以上的效率,相比原来常用的7805,LM2575/LM2596,这个效率还是有所提高的; 从成本方面来讲,采用TPS54229E芯片的方案一共需要12个元器件,BOM成本1.18美元,与采用LM2575/LM2576/LM2596这样的DC-DC方案相比,成本已非常接近。从PCB面积上看,TPS54229E芯片方案占用面积比LM2575/LM2576/LM2596这样的DC-DC方案要下,它的外部电容和电感体积都非常小,在PCB面积受限制的应用场合中,比较容易发挥其优势。通过对TPS54229EEVM -056电源评估板测试,加深了对TPS54229E芯片的理解很认识。
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