隔離式3.3V轉(zhuǎn)5V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(guò)程中的信號(hào)完整性并提供高驅(qū)動(dòng)能力。盡管市場(chǎng)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(zhǎng)的產(chǎn)品交付時(shí)間、價(jià)格相對(duì)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(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(guò)使變壓器驅(qū)動(dòng)器級(jí)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(lèi)型。工作原理非常簡(jiǎn)單。帶推挽輸出級(jí)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(guò)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(duì)稱(chēng)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(chēng)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(jí)的兩個(gè)變壓器鐵芯柱同時(shí)導(dǎo)電從而引起電路故障。

　　分立設(shè)計(jì)

　　著名的三反相門(mén)振蕩器由 U1a、U2a 和 U2b 組成，選擇它是因?yàn)樗诠╇姴▌?dòng)方面較為穩(wěn)定。通過(guò)一個(gè)100-pF陶瓷電容器(COSC)和兩個(gè)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(dòng)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(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(cè)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(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(mén)(U2c,U2d)配置為反相緩沖器，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)N通道MOSFET(Q1、Q2)必需的正確信號(hào)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(mén)的有限驅(qū)動(dòng)能力，我們選擇了MOSFET,因?yàn)槠漭^低的總電荷和較短的響應(yīng)時(shí)間。