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。

　　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6kV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DC-DC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.



　　結論

　　不存在電路板空間限制的情況下，具有穩定輸出的隔離式3.3-V到5-V DC/DC轉換器分立設計可以成為穩定輸出集成DC/DC組件的一款現實低成本代替方案。分立設計的主要好處是可以自由選擇隔離變壓器，以滿足各種隔離電壓要求。