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低成本隔离式3.3V到5V DC/DC转换器的分立设计

2012年04月25日11:34:09 本网站 我要评论(2)字号:T | T | T
关键字:应用 电源 可靠性 

    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 6 kV 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。

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。

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