低成本隔離式3.3V到5V DC/DC轉換器的分立設計

　　隔離式 3.3V 到 5V 轉換器通常用于遠距離數據傳輸網絡，這種網絡中總線節點控制器由一個 3.3V 電源工作以節省電量，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動能力。盡管市場上已經有了 3.3V 到 5V 轉換的隔離式 DC/DC 轉換器組件，但集成的 3.3V 到 5V 轉換器仍然很難找到。即使找到，這些特定的轉換器（特別是那些具有穩定輸出的轉換器）通常都有較長的產品交付時間、價格相對昂貴并且一般都有一定的隔離電壓限制。

　　如果應用要求 2 kV 以上的隔離電壓、60% 以上的轉換器效率或者標準組件可靠的有效性，那么分立設計就是一種能夠替代集成組件的低成本方案。分立 DC/DC 轉換器設計的缺點是需要做大量的工作——選擇穩定的振蕩器結構和先斷后通電路，選擇可以通過標準邏輯門有效驅動的MOSFET，適宜實施溫度和長期可靠性測試。所有這些努力都要花費時間和資金。因此，在倉促進行這樣一個計劃以前，設計人員應該考慮到下列事項：集成組件通常已通過溫度測試，并且擁有其他工業資質。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間。

　　不穩定輸出轉換器每 1000 片的起售定價一般為 4.50 到 5.00 美元，而穩定輸出的轉換器通常為此價格的兩倍，大約為 10.00 美元或更高。因此，合理的做法是購買具有不穩定輸出的轉換器，或者利用降壓電容對輸出進行緩沖，或者將其送入低成本、低壓降穩壓器（LDO），例如：TI 的 TPS76650。

　　圖 1 所示的分立 DC/DC 轉換器設計僅使用了一些現有的標準組件（例如：邏輯 IC 和 MOSFET 等），服務于變壓器驅動器，以及一個用于穩定輸出電壓的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。

　　這種設計的主要好處是較少的材料清單（BOM），以及為 1 到 6 kV 范圍隔離電壓選擇隔離變壓器的自由度。我們的目標是：通過使變壓器驅動器級為穩定輸出全集成 DC/DC 轉換器和獨立變壓器驅動器提供一款低成本的替代方案。

　　圖 1 隔離式 3.3V 到5V 推拉式轉換器

　　工作原理

　　低成本、隔離式 DC/DC 轉換器一般為推挽式驅動器類型。工作原理非常簡單。帶推挽輸出級的方波振蕩器驅動一個中心抽頭變壓器，其輸出經過整流，可以穩定或非穩定 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電從而引起電路故障。

　　分立設計

　　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），它的正常頻率被設定為 330kHz。在 3.0-V 到 3.6-V 電源電壓波動范圍內，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

　　施密特觸發電路 NAND 柵極（U1c、U1d）實現先斷后通功能，以避免 MOSFET 導通階段交疊。其他兩個NAND門（U2c，U2d）配置為反相緩沖器，從而產生驅動 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。為了適應標準邏輯門的有限驅動能力，我們選擇了 MOSFET，因為其較低的總電荷和較短的響應時間。

　　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，輸出不穩定，但具有 DC/DC 轉換器的最大效率。然而，設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下時較容易發生。如果最小負載條件下的非穩定輸出電壓過高，則必需在全波整流器之后使用一個線性穩壓器，以提供穩定的輸出電源電壓。

　　線性穩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DCDC轉換器的BOM。請注意，旁路電容器值大于常用于一些低速應用的 10 nF。這是由于高速 CMOS 技術（例如：AHC、AC 和 LVC 等）具有高動態負載，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。這對驅動 MOSFET 的反相緩沖器特別重要，其旁路電容器值為 0.68 μF。