低成本隔离式3.3V 到5V DC/DC 转换器的分立设计

只看该作者 · 2013-1-10 20:27

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。这些组件不仅仅是最可靠的解决方案，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。
分立设计著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% 的最大频率波动。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。

只看该作者 · 2013-1-10 20:28

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 转换器的最大效率。然而，设计人员必须保证不超出受影响电路的最大电源电压，其在低负载或开路状态下时较容易发生。如果最小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。