低成本隔离式3.3V到5V DC/DC转换器的分立设计
隔离式 3.3V 到 5V 转换器通常用于远距离数据传输网络 ， 这种网络中总线节点控制器由一个 3.3V 电源工作以节省电量 ， 而总线电压为 5V ， 以保证在远距离传输过程中的信号完整性并提供高驱动能力 。尽管市场上已经有了 3.3V 到 5V 转换的隔离式 DC/DC 转换器组件 ， 但集成的 3.3V 到 5V 转换器仍然很难找到 。即使找到 ， 这些特定的转换器（特别是那些具有稳定输出的转换器）通常都有较长的产品交付时间、价格相对昂贵并且一般都有一定的隔离电压限制 。如果应用要求 2 kV 以上的隔离电压、60% 以上的转换器效率或者标准组件可靠的有效性 ， 那么分立设计就是一种能够替代集成组件的低成本方案 。分立 DC/DC 转换器设计的缺点是需要做大量的工作——选择稳定的振荡器结构和先断后通电路 ， 选择可以通过标准逻辑门有效驱动的MOSFET ， 适宜实施温度和长期可靠性测试 。所有这些努力都要花费时间和资金 。因此 ， 在仓促进行这样一个计划以前 ， 设计人员应该考虑到下列事项：集成组件通常已通过温度测试 ， 并且拥有其他工业资质 。这些组件不仅仅是可靠的解决方案 ， 而且还拥有较快的上市时间 。不稳定输出转换器每 1000 片的起售定价一般为 4.50 到 5.00 美元 ， 而稳定输出的转换器通常为此价格的两倍 ， 大约为 10.00 美元或更高 。因此 ， 合理的做法是购买具有不稳定输出的转换器 ， 或者利用降压电容对输出进行缓冲 ， 或者将其送入低成本、低压降稳压器 (LDO) ， 例如：TI 的 TPS76650 。图 1 所示的分立 DC/DC 转换器设计仅使用了一些现有的标准组件（例如：逻辑 IC 和 MOSFET 等） ， 服务于变压器驱动器 ， 以及一个用于稳定输出电压的LDO 。该电路使用许多通孔组件制成样机 ， 从而使其比集成组件的体积要大 ， 但是由于使用TI的Little Logic?器件 ， 板空间得到了极大缩减 。这种设计的主要好处是较少的材料清单 (BOM) ， 以及为 1 到 6kV 范围隔离电压选择隔离变压器的自由度 。我们的目标是：通过使变压器驱动器级为稳定输出全集成 DC/DC 转换器和独立变压器驱动器提供一款低成本的替代方案 。
图 1 隔离式 3.3V 到5V 推拉式转换器工作原理低成本、隔离式 DC/DC 转换器
【低成本隔离式3.3V到5V DC/DC转换器的分立设计】 一般为推挽式驱动器类型 。工作原理非常简单 。带推挽输出级的方波振荡器驱动一个中心抽头变压器 ， 其输出经过整流 ， 可以稳定或非稳定 DC 形式使用 。一个重要的功能性要求是方波必须具有 50% 占空比 ， 以确保变压器铁心对称磁化 。另一个要求是磁化电压 (E) 和磁化时间 (T) 的乘积（称作 ET 乘积 ， 单位为 Vμs） ， 不得超出由其厂商规定的变压器典型 ET乘积 。我们还必须紧挨振荡器安装使用先断后通电路 ， 以防止推挽输出级的两个变压器铁芯柱同时导电从而引起电路故障 。分立设计着名的三反相门振荡器由 U1a、U2a 和 U2b 组成 ， 选择它是因为它在供电波动方面较为稳定 。通过一个 100-pF 陶瓷电容器（COSC）和两个 10-kΩ 电阻器（ROSC1 和 ROSC2） ， 它的正常频率被设定为 330kHz 。在 3.0-V 到 3.6-V 电源电压波动范围内 ， 振荡器拥有接近 50% 的占空比 ， 以及低于 ±1.5% 的频率波动 。图 2 显示了 ROSC1 和 ROSC2 (TP1) 相加点和振荡器输出 (TP2) 处的波形 。所有电压均为参考电路基准电压测得 。
图 2 TP1 和 TP2 的振荡器波形施密特触发电路 NAND 栅极（U1c、U1d）实现先断后通功能 ， 以避免 MOSFET 导通阶段交叠 。其他两个NAND门（U2c ， U2d）配置为反相缓冲器 ， 从而产生驱动 N 通道 MOSFET（Q1、Q2）必需的正确信号极性 。
图 3 显示了完整的先断后通动作 。为了适应标准逻辑门的有限驱动能力 ， 我们选择了 MOSFET ， 因为其较低的总电荷和较短的响应时间 。图 3 先断后通波形隔离变压器 (T1) 拥有 2：1 的次级对初级匝数比、0.9 mH 的初级线圈电感 ， 以及 3kV 的保证隔离电压 。图 4 显示了变压器的输入和输出波形 。
图 4 变压器波形两个二极管（D1、D2）均为快速肖特基整流器 ， 在满负载电流条件下（200 mA 时 VFW < 0.4 V）提供低正向电压的同时进行全波整流 。从这些二极管后面的降压电容器 (Cb3) 直接获得输出电压是可能的 。这种情况下 ， 输出不稳定 ， 但具有 DC/DC 转换器的效率 。然而 ， 设计人员必须保证不超出受影响电路的电源电压 ， 其在低负载或开路状态下时较容易发生 。如果负载条件下的非稳定输出电压过高 ， 则必需在全波整流器之后使用一个线性稳压器 ， 以提供稳定的输出电源电压 。线性稳压器的主要好处是低纹波输出 。其他好处还包括短路保护和超温关闭 。但是 ， 主要缺点是效率非常低 。图 5 显示了 4.93 V 输出电压条件下图 1 所示电路的纹波
而图 6 将该电路的效率同具有稳定输出的集成 DC/DC 组件进行了对比 。
图 5 VOUT=4.93V 时的输出纹波图 6 效率对比下表提供了分立式DCDC转换器的BOM 。请注意 ， 旁路电容器值大于常用于一些低速应用的 10 nF 。这是由于高速 CMOS 技术（例如：AHC、AC 和 LVC 等）具有高动态负载 ， 因此旁路电容器值必须为 0.1 μF 或者更高以保证正常运行 。这对驱动 MOSFET 的反相缓冲器特别重要 ， 其旁路电容器值为 0.68 μF 。结论不存在电路板空间限制的情况下 ， 具有稳定输出的隔离式 3.3-V 到 5-V DC/DC 转换器离散设计可以成为稳定输出集成 DC/DC 组件的一款现实低成本代替方案 。离散设计的主要好处是可以自由选择隔离变压器 ， 以满足各种隔离电压要求 。
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