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[原创] EE流动站新丁TPS61088-EVM评估板(10A step-up DC-DC )到手简测,效率、纹波和瞬态

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发表于 2017-7-11 16:28:40 | 只看该作者 |倒序浏览 |阅读模式
        最新消息,论坛开发板流动站刚刚又添置了一块TI官方的TPS61088-EVM-677评估板,幸运的,第一手就落入了我的魔掌中简单测试评估了一下,顺便把测试情况发个贴详细记录下,免得日后自己都忘记了。这块TPS61088的高效率升压DCDC可以用单节锂电池输出最高12V的电压,输入开关电流可达10A,大约就是能输出30W的功率,对于一些便携音响方面是很适合的。先来看看这块芯片的简介和评估板的图纸




拆箱照片









      学习官方评估板的电路和布线是个非常好的途径,这块板子布线非常简洁,TPS61088芯片引脚的排列布局很方便布线,正面没有几根走线,电路板的背面就是整块GND平面。有两点疑惑

一、关于芯片的PGND和AGND,通常理解所有AGND的线连接在一起,然后再跟PGND连接,从该评估板的布线上来看,都没有区分AGND和PGND,就是整张的地平面,两面的GND都是通过大量密集的过孔打通。感觉就是很随意的布线,没有过多的考虑。还有就是DCDC 蓄能和释放的回路似乎没有刻意地追求二者环路面积相等。这块评估板看起来很轻松就布线出来的样子,不知道这样布线的效果到底会怎么样。布线直接影响到纹波噪音的好坏,特别的对于应用在便携音响上的话,喇叭出来的噪音可是要命的。不过回头想想既然是官方的评估板肯定是能保证芯片性能指标的吧,应该也不会差。
二、关于电感,见到过有些DCDC官方评估板,在电感下方的铜箔都是挖空的,这样大概是考虑到电感磁力线对下方布线的影响吧,不过大部分都是没有挖空的,这块评估板也没挖空。关于这个电感下铜箔挖空,我也是很迷茫的,希望有经验的大神能指点。这个评估板用的PWM开关频率是600KHZ,电感用的1.2uH,这个是合金电感,体积小,才9X8mm,功率很大,DCR才9毫欧,当然了价格也很贵,适合高频应用。貌似现在电脑显卡主板里面用的挺多的。



此内容由EEWORLD论坛网友jackfrost原创,如需转载或用于商业用途需征得作者同意并注明出处




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沙发
 楼主| 发表于 2017-7-11 16:29:10 | 只看该作者

接下来是进行一些简单测试,

     手上的器材,DS2072A 300MHZ示波器, 2台3位半万用表,IT 8511电子负载, 固炜双路30V 3A线性电源。 输入电压都放在3.6V左右,单节锂电池电压。因为电流非常大所以电线上的压降也很大,所以实际上是调整线性电源输出电压,输入电压测量点是在评估板输入端TP1和TP2两端,这两端电压调整至3.6V左右; 同样的,输出电流可以直接读自IT8511电子负载的读数,但是输出电流是测试TP5 / TP6两端的,这样避免了大电流情况下电缆线阻带来的压降,提高测量准确程度。IT8511电子负载也可以采用4线REMOTE测量模式,但是懒得搬设备接线了。

一、上电,EN跳线是置OFF位置的,发现这时候仍旧有输出,比输入低约0.3V,开始愿意是微弱的漏电,但是接了电子负载实测, 输出电流可以很大,估计是相当于串联了一只肖特基二极管,所以在TPS61088 EN OFF的情况下,输出端千万不能短路,否则电池就相当于给短路了,这个EN并不能做电源开关用,ON的时候正常升压输出,OFF的时候芯片实际上成了个肖特基二极管了,实际应用的时候是要注意的!


二、空载测试。 TPS61088是可以选择PWM和PFM模式的,轻载的时候PFM模式效能更高些应该。空载情况下对比了二者的静态电流
1、PWM模式下 空载输出是8.918V,此时静态输入电流大约是66mA左右






2、PFM模式,输出空载电压是8.983V,此时静态输入电流仅0.5mA左右。





三、 输出1A测试,电子负载设置CC 1A


1、PWM模式  , 输入 3.605V 2.61A ,输出8.928V 1A  效率=94.8%




2、 PFM模式 ,  输入 3.631V 2.60A , 输出 8.927V 1A   效率=94.6%




四、输出2A电流, IT8511 置 CC 2A ,由于手头上的顾伟双路电源单路最大3A输出,两路并联后最大也只有6A,因此无法测试大于2A的输出了。
输入 : 3.661V  5.23A       输出 : 8.939V  2A       效率=93.4%







         上面测试表明TPS61088在使用单节锂电池3.6V的情况下效率非常高,9V 2A就是18W输出了,仍旧超过93%的效率,而且用手摸电感和芯片,都并没有什么显著的升温,再高输出因手头设备限制没法测试了,按官方PDF显示9V 3A情况下仍旧有91%的效率。关于PWM和PFM模式,从测试看,PWM在空载情况下静态电流达66mA,损耗比较大,轻载在小于1A应用的时候,PFM模式应该比PWM更有效率些。


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 楼主| 发表于 2017-7-11 16:29:35 | 只看该作者
五、 SW引脚波形观察,评估板留出了SW端观察的接头,可以观察下波形,如下图接法

1、PWM模式下  空载时SW的波形

2、PWM模式, 1A负载 SW波形


3、PFM   空载   SW波形


4、PFM模式 1A负载 SW端波形



六、
       通常DCDC效率问题大家是最关注的,官方PDF里示出的效率通常采用合适的元器件都能做到官方宣称的指标,这个通常是有保障的。电源还有非常重要的指标还有瞬态响应和纹波噪音情况。瞬态响应这个是我个人最关注的,它涉及到电源设计控制回路的性能,电源其实本质上就是放大器,就跟运放一样,有频响带宽有相位延迟,频带足够宽、相位裕量大,才能保证电源有足够好的瞬态响应和稳定性,这个不好是很致命的,比方说负载波动的瞬间输出电压产生大的尖峰,尤其现在低电压的芯片越来越多,比方说3.3V的MCU,FPGA内核1.2V,电源不好很容易就把昂贵的芯片给损坏了。瞬态响应稳定性这些通常最好是用网络分析仪,给电源注入一个信号,然后测量反馈端频率和相位延迟。这个也就是评估板上为什么在反馈电阻上端又串入一个49.9欧姆电阻的原因,这个电阻是故意留出来用来注入测量信号进行波特图分析用的。这些说开就复杂了,就到这里吧。      瞬态响应测试采用IT8511电子负载的动态负载测试功能,设置为1KHZ频率,电流低是0.1A 电流高为1A,测试接线如下图,电子负载通过夹子连接到输出,同时连接线是手工双绞起来,以减少引入外接的干扰;示波器探头去掉头和地线,直接用探头附带的地线弹簧,用最短的连接至评估板的输出端,减少干扰。另外为了减少电缆线阻的影响,我在评估板的输入端并联了一只1500uF的高速电解电容,在评估板输出端接了1只150uF/25v的固态电容,同时也是方便测试夹夹住。


1、PWM_0.1~1A@1khz瞬态响应


2、PFM_0.1~1A@1khz瞬态响应测试


        根据上面的瞬态波形分析,首先PWM模式瞬态响应要稍好于PFM模式,二者都没有明显震荡波形,说明控制回路的相位裕度还可以,尖峰过冲都是200mV左右,对于9V的输出来说,200mV的过冲也不是什么大问题了,况且这个还是开关DCDC,没毛病;再看过冲恢复时间超过300uS,对于一个开关DCDC来说可以了;另外注意到PFM模式下瞬态下冲是300mV,大于PWM的200mV,这些也都没什么毛病。TPS61088的性能是可以的。当然了,我只测试到1A的,如果能测试100mA到3A动态响应的情况就更能暴露问题了,不过手头上器材的限制只能到这了。

七、纹波和噪音的测试。对于电源输出来说,纹波和噪音二者是经常是混在一起的,各种噪声总是叠加在纹波之上的。要测纹波噪声就必须有正确的姿势了,尽量力求避免外界引入干扰。我直接用的刚充满电的三洋红袍18650锂电池。示波器设置非常有讲究,设置成AC模式以及20MHZ带宽限制,示波器探头也是必须要注意的,必须按上面讲的,把头和地线去掉,用短的弹簧夹连接到电源的输出端,否则探头的地线就成了天线了,把不该有的干扰都引入了。正确的姿势如下图展示。另外为了测试带负载情况我加了个40欧姆的功率电阻,这样算起来输出大约是200mA左右吧,为了减少干扰这里就不接电子负载了,引线太长。






1、PWM模式,空载时 纹波和噪声情况


2、PWM模式,40欧姆负载时 纹波和噪声情况


3、PFM模式,空载时 纹波和噪声情况


4、PFM模式,40欧姆负载时 纹波和噪声情况


       从上面看TPS61088评估板的输出纹波噪音情况很不错,对于一款开关升压DCDC来说,200mA负载情况下,输出的纹波噪音只有不到30mVpp峰峰值,就纹波来说PFM模式略微要好过PWM模式,不过这些个短促尖峰的高度主要是来自开关管的切换。手头上暂时没有找出8欧 4欧的功率电阻,而且我的锂电池也无法输出太大的电流,所以没有进一步测试更大负载下的纹波噪音情况,通常应该负载越大情况越糟糕,不过就目前所测的200mA负载的情况来说,一款开关电源能做到不到30mVPP的纹波噪音,已经是相当不错了,看来这款芯片很轻松布线就能达到相当不错的水平了,确实很容易用好。是款非常不错的升压DCDC,剩下的问题就是看芯片的价格几何了

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发表于 2017-7-12 10:31:49 | 只看该作者
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2017,加油!继续为中国电子行业做出小小的贡献吧!
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发表于 2017-7-12 19:22:12 | 只看该作者
测试分析写的很好,顶

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