德州仪器TPS54229EEVM-056电源模块评测

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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。