隔離式3.3V轉(zhuǎn)5V轉(zhuǎn)換器的分立設(shè)計(jì)

隔離式3.3V到5V轉(zhuǎn)換器通常用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)中總線節(jié)點(diǎn)控制器由一個(gè)3.3V電源工作以節(jié)省電量，而總線電壓為5V,以保證在遠(yuǎn)距離傳輸過程中的信號(hào)完整性并提供高驅(qū)動(dòng)能力。盡管市場(chǎng)上已經(jīng)有了3.3V到5V轉(zhuǎn)換的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器組件，但集成的3.3V到5V轉(zhuǎn)換器仍然很難找到。即使找到，這些特定的轉(zhuǎn)換器(特別是那些具有穩(wěn)定輸出的轉(zhuǎn)換器)通常都有較長的產(chǎn)品交付時(shí)間、價(jià)格相對(duì)昂貴并且一般都有一定的隔離電壓限制。

圖1所示的分立DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)僅使用了一些現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)組件(例如：邏輯IC和MOSFET等)，服務(wù)于變壓器驅(qū)動(dòng)器，以及一個(gè)用于穩(wěn)定輸出電壓的LDO.該電路使用許多通孔組件制成樣機(jī)，從而使其比集成組件的體積要大，但是由于使用TI的Little Logic器件，板空間得到了極大縮減。

這種設(shè)計(jì)的主要好處是較少的材料清單(BOM)，以及為1到6kV范圍隔離電壓選擇隔離變壓器的自由度。我們的目標(biāo)是：通過使變壓器驅(qū)動(dòng)器級(jí)為穩(wěn)定輸出全集成DC/DC轉(zhuǎn)換器和獨(dú)立變壓器驅(qū)動(dòng)器提供一款低成本的替代方案。

圖1:隔離式3.3V到5V推拉式轉(zhuǎn)換器

工作原理

低成本、隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器一般為推挽式驅(qū)動(dòng)器類型。工作原理非常簡(jiǎn)單。帶推挽輸出級(jí)的方波振蕩器驅(qū)動(dòng)一個(gè)中心抽頭變壓器，其輸出經(jīng)過整流，可以穩(wěn)定或非穩(wěn)定DC形式使用。一個(gè)重要的功能性要求是方波必須具有50%占空比，以確保變壓器鐵心對(duì)稱磁化。另一個(gè)要求是磁化電壓(E)和磁化時(shí)間(T)的乘積(稱作ET乘積，單位為Vμs)，不得超出由其廠商規(guī)定的變壓器典型ET乘積。我們還必須緊挨振蕩器安裝使用先斷后通電路，以防止推挽輸出級(jí)的兩個(gè)變壓器鐵芯柱同時(shí)導(dǎo)電從而引起電路故障。

分立設(shè)計(jì)

著名的三反相門振蕩器由 U1a、U2a 和 U2b 組成，選擇它是因?yàn)樗诠╇姴▌?dòng)方面較為穩(wěn)定。通過一個(gè)100-pF陶瓷電容器(COSC)和兩個(gè)10-kΩ電阻器(ROSC1和ROSC2)，它的正常頻率被設(shè)定為330kHz.在3.0-V到3.6-V電源電壓波動(dòng)范圍內(nèi)，振蕩器擁有接近50%的占空比，以及低于±1.5%的最大頻率波動(dòng)。圖2顯示了ROSC1和ROSC2(TP1) 相加點(diǎn)和振蕩器輸出(TP2)處的波形。所有電壓均為參考電路基準(zhǔn)電壓測(cè)得。

圖2:TP1和TP2的振蕩器波形

施密特觸發(fā)電路NAND柵極(U1c、U1d)實(shí)現(xiàn)先斷后通功能，以避免MOSFET導(dǎo)通階段交疊。其他兩個(gè)NAND門(U2c,U2d)配置為反相緩沖器，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)N通道MOSFET(Q1、Q2)必需的正確信號(hào)極性。圖3顯示了完整的先斷后通動(dòng)作。為了適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)邏輯門的有限驅(qū)動(dòng)能力，我們選擇了MOSFET,因?yàn)槠漭^低的總電荷和較短的響應(yīng)時(shí)間。

圖3:先斷后通波形

隔離變壓器 (T1) 擁有 2:1 的次級(jí)對(duì)初級(jí)匝數(shù)比、0.9 mH的初級(jí)線圈電感，以及3kV的保證隔離電壓。圖4顯示了變壓器的輸入和輸出波形。

圖4:變壓器波形

兩個(gè)二極管(D1、D2)均為快速肖特基整流器，在滿負(fù)載電流條件下(200 mA 時(shí)VFW < 0.4 V)提供低正向電壓的同時(shí)進(jìn)行全波整流。從這些二極管后面的降壓電容器 (Cb3) 直接獲得輸出電壓是可能的。這種情況下，輸出不穩(wěn)定，但具有DC/DC轉(zhuǎn)換器的最大效率。然而，設(shè)計(jì)人員必須保證不超出受影響電路的最大電源電壓，其在低負(fù)載或開路狀態(tài)下時(shí)較容易發(fā)生。如果最小負(fù)載條件下的非穩(wěn)定輸出電壓過高，則必需在全波整流器之后使用一個(gè)線性穩(wěn)壓器，以提供穩(wěn)定的輸出電源電壓。

線性穩(wěn)壓器的主要好處是低紋波輸出。其他好處還包括短路保護(hù)和超溫關(guān)閉。但是，主要缺點(diǎn)是效率非常低。

圖5顯示了4.93 V輸出電壓條件下圖1所示電路的紋波，而圖6將該電路的效率同具有穩(wěn)定輸出的集成DC/DC組件進(jìn)行了對(duì)比。

圖5:VOUT=4.93V時(shí)的輸出紋波

圖6:效率對(duì)比

下表提供了分立式DC-DC轉(zhuǎn)換器的BOM.請(qǐng)注意，旁路電容器值大于常用于一些低速應(yīng)用的10 nF.這是由于高速CMOS技術(shù)(例如：AHC、AC和LVC等)具有高動(dòng)態(tài)負(fù)載，因此旁路電容器值必須為0.1 μF或者更高以保證正常運(yùn)行。這對(duì)驅(qū)動(dòng)MOSFET的反相緩沖器特別重要，其旁路電容器值為0.68 μF.

結(jié)論

不存在電路板空間限制的情況下，具有穩(wěn)定輸出的隔離式3.3-V到5-V DC/DC轉(zhuǎn)換器分立設(shè)計(jì)可以成為穩(wěn)定輸出集成DC/DC組件的一款現(xiàn)實(shí)低成本代替方案。分立設(shè)計(jì)的主要好處是可以自由選擇隔離變壓器，以滿足各種隔離電壓要求。