低成本隔離式 3.3V 到 5V DC/DC 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完整性并提供高驅(qū)動能力。盡管市場上已經(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)格相對昂貴并且一般都有一定的隔離電壓限制。

如果應(yīng)用要求 2 kV 以上的隔離電壓、60% 以上的轉(zhuǎn)換器效率或者標(biāo)準(zhǔn)組件可靠的有效性，那么分立設(shè)計(jì)就是一種能夠替代集成組件的低成本方案。分立 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是需要做大量的工作——選擇穩(wěn)定的振蕩器結(jié)構(gòu)和先斷后通電路，選擇可以通過標(biāo)準(zhǔn)邏輯門有效驅(qū)動的MOSFET，適宜實(shí)施溫度和長期可靠性測試。所有這些努力都要花費(fèi)時(shí)間和資金。因此，在倉促進(jìn)行這樣一個(gè)計(jì)劃以前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮到下列事項(xiàng)：集成組件通常已通過溫度測試，并且擁有其他工業(yè)資質(zhì)。這些組件不僅僅是最可靠的解決方案，而且還擁有較快的上市時(shí)間。

不穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)換器每 1000 片的起售定價(jià)一般為 4.50 到 5.00 美元，而穩(wěn)定輸出的轉(zhuǎn)換器通常為此價(jià)格的兩倍，大約為 10.00 美元或更高。因此，合理的做法是購買具有不穩(wěn)定輸出的轉(zhuǎn)換器，或者利用降壓電容對輸出進(jìn)行緩沖，或者將其送入低成本、低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)，例如：TI 的 TPS76650。

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)動器級為穩(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[!--empirenews.page--]

工作原理

低成本、隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器一般為推挽式驅(qū)動器類型。工作原理非常簡單。帶推挽輸出級的方波振蕩器驅(qū)動一個(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▌臃矫孑^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。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)電壓測得。

圖 2   TP1 和 TP2 的振蕩器波形[!--empirenews.page--]

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 N 通道 MOSFET（Q1、Q2）必需的正確信號極性。圖 3 顯示了完整的先斷后通動作。為了適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)邏輯門的有限驅(qū)動能力，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 的次級對初級匝數(shù)比、0.9 mH 的初級線圈電感，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。[!--empirenews.page--]

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)行了對比。

圖 5 VOUT=4.93V 時(shí)的輸出紋波

圖 6 效率對比

下表提供了分立式DCDC轉(zhuǎn)換器的BOM。請注意，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。這對驅(qū)動 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)換器離散設(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。離散設(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。