低成本隔離式3.3V到5VDC-DC轉(zhuǎn)換器的分立設(shè)計(jì)

1、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)劫能力。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

2、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一一選擇穩(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(dòng)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

3、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(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

4、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。工作原理非常簡單。帶推挽 輸出級的方波振蕩器驅(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Vs），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)電從而弓I起電路故障。分立設(shè)計(jì)著名的三反相門振蕩器由U1a、112a和U2b組成，選擇它是因?yàn)樗诠╇姴▌?dòng)方面

5、較 為穩(wěn)定。通過一個(gè)100-pF陶瓷電容器（COSC）和兩個(gè)10-k Q電阻器（ROSC1和ROSC2），它的正常頻率被設(shè)定為330kHz。在3OV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.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)電壓測得。TP1(VSUM)5 V/dvzTime (1 ps/div)圖2 Tpi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

6、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)槠浼篖ru rrm7LTLLrOALTLF 1TtmdiMMM較低的總電荷和較短的響應(yīng)時(shí)間。VOUT Ri Qpl.AV = 38 mV(SO EV/div Timo psfcliv)InpuflM Q4|mi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)VFWv 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