隔離式3.3V到5V轉(zhuǎn)換器通常用于遠距離數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),，這種網(wǎng)絡(luò)中總線節(jié)點控制器由一個3.3V電源工作以節(jié)省電量，而總線電壓為5V,以保證在遠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)品交付時間,、價格相對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)計僅使用了一些現(xiàn)有的標(biāo)準組件(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，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

　　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,。另一個要求是磁化電壓(E)和磁化時間(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變壓器鐵芯柱同時導(dǎo)電從而引起電路故障,。

　　分立設(shè)計

　　著名的三反相門振蕩器由 U1a,、U2a 和 U2b 組成，選擇它是因為它在供電波動方面較為穩(wěn)定,。通過一個100-pF陶瓷電容器(COSC)和兩個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) 相加點和振蕩器輸出(TP2)處的波形,。所有電壓均為參考電路基準電壓測得。



　　圖2:TP1和TP2的振蕩器波形

　　施密特觸發(fā)電路NAND柵極(U1c,、U1d)實現(xiàn)先斷后通功能,，以避免MOSFET導(dǎo)通階段交疊。其他兩個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)準邏輯門的有限驅(qū)動能力,，我們選擇了MOSFET,因為其較低的總電荷和較短的響應(yīng)時間。



　　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

　　兩個二極管(D1,、D2)均為快速肖特基整流器，在滿負載電流條件下(200 mA 時VFW < 0.4 V)提供低正向電壓的同時進行全波整流,。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,，其在低負載或開路狀態(tài)下時較容易發(fā)生,。如果最小負載條件下的非穩(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和超溫關(guān)閉,。但是,，主要缺點是效率非常低。

　　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組件進行了對比,。



　　圖5:VOUT=4.93V時的輸出紋波



　　圖6:效率對比

　　下表提供了分立式DC-DC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)換器分立設(shè)計可以成為穩(wěn)定輸出集成DC/DC組件的一款現(xiàn)實低成本代替方案。分立設(shè)計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,。