低成本隔离式 3.3V到5V DC-DC转换器的分立设计
嵌入式系统最小系统硬件设计
引言
嵌入式系统是以应用为中心,软件硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。本文主要研究了基于SEP3202(内嵌ARM7TDMI 处理器内核)的嵌入式最小系统,围绕其设计出相应的存储器、总线扩展槽、电源电路、复位电路、JTAG、UART等一系列电路模块。
嵌入式最小系统
根据IEEE的定义,嵌入式系统是:控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置。这主要是从应用上加以定义的,从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体,还可以涵盖机械等附属装置。不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓,目前国内一个普遍被认同的定义是:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
嵌入式最小系统即是在尽可能减少上层应用的情况下,能够使系统运行的最小化模块配置。以ARM内核嵌入式微处理器为中心,具有完全相配接的Flash电路、SDRAM电路、JTAG电路、电源电路、晶振电路、复位信号电路和系统总线扩展等,保证嵌入式微处理器正常运行的系统,可称为嵌入式最小系统。对于一个典型的嵌入式最小系统,以ARM处理器为例,其构成模块及其各部分功能如图1所示,其中ARM微处理器、FLASH和SDRAM模块是嵌入式最小系统的核心部分。
•微处理器——采用了SEP3203;
•电源模块——为SEP3203内核电路提供2.5V的工作电压,为部分外围芯片提供3.3V的工作电压;
•时钟模块(晶振)——通常经ARM内部锁相环进行相应的倍频,以提供系统各模块运行所需的时钟频率输入。32.768kHz给RTC和Reset模块,产生计数时钟,10MHz作为主时钟源;
低成本、高性能的新型PWM控制器
低成本、高性能的新型PWM控制器
大多数电信电源系统采用一个 -48V总线分布电源。-48V总线在保证设备安全的情况下能够使功耗保持在较低的水平。但大多数电信子系统并不直接采用 -48V,而是要求隔离式DC/DC转换,从 -48V总线到子系统的工作电压。很多厂商都提供采用标准引脚和机械封装的分立式DC/DC转换器模块,这是非常易于应用的解决方案,从而节约一些工程时间,缩短产品上市时间,但是电源模块会增加成本,每模块需额外增加的7至18美元。
电信制造商正在向新的方向发展,采用与分立元件组建的电路板贴装电源转换器。通常每个电路板只需要一个隔离式DC/DC转换器。整个系统内核电压可以从主隔离电源轨获得,这通常是3.3V、5V或12V。相对于每电源轨采用电源模块的方法而言,由非隔离DC/DC转换器提供内核电压能够进一步节省成本。
新趋势
要使电路板贴装电源转换器易于实施,就需要具有适当功能的控制电路。有一种控制电路是电流模式 PWM 控制器—— LT1950。LT1950电路可以被用在从几瓦到500瓦以上的隔离电源转换器中。全部所需要的控制功能都集成在一个设备中,包括自适应最大占空比箝位、斜率补偿和前缘消隐。编程是非常简单,使转换器解决方案能够轻松地被优化,以达到高性能、低成本和组件小型化。
例如可编程自适应最大占空比箝位在负载和线路瞬变情况下限制了变压器重置电压,这允许在以变压器为基础的设计中采用最小的变压器、MOSFET和输出整流器。该特征使基于
LT1950的前向转换器能够采用一种MOSFET利用率远远超冬过50% 占空比操作的单MOSFET架构。这些设计可以代替电源模块,而且成本较低,效率和瞬态响应性能都十分优越。
低成本隔离式3.3V到5V DC-DC转换器的分立设计
低成本隔离式3.3V到5V DC/DC转换器的分立设计
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,那幺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
34063是一种低成本的DC
34063是一种低成本的DC-DC变换实现方案,它可以实现降压、升压与电压反转应用,其电路简单、成本低廉、效率高、温升低,这些电路被广泛应用。
电路的核心元件是MC34063,它是一种单片双极型线性集成电路,专用于直流-直流变换器控制部分,片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开关,能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。
MC34063的内部电路原理框图如图一所示。
MC34063具有以下特点:
1、能在3-40V的输入电压下工作。
2、带有短路电流限制功能。
3、低静态工作电流。
4、输出开关电流可达1.5A(无外接三极管)。
5、输出电压可调。
6、工作振荡频率从100HZ至100KHZ。
7、可构成升压降压或反向电源变换器
由于内置有大电流的电源开关,MC34063能够控制的开关电流达到1.5A,内部线路包含有参考电压源、振荡器、转换器、逻辑控制线路和开关晶体管。
参考电压源是温度补偿的带隙基准源,振荡器的振荡频率由3脚的外接定时电容决定,开关晶体管由比较器的反向输入端和与振荡器相连的逻辑控制线路置成ON,并由与振荡器输出同步的下一个脉冲置成OFF。
电路原理
图一内部框图中所表示的电路解释如下:
振荡器通过恒流源对外接在CT管脚(3脚)上的定时电容不断地充电和放电以产生振荡波形。充电和放电电流都是恒定的,所以振荡频率仅取决于外接定时电容的容量。与门的A输入端在振荡器对外充电时为高电平,B输入端在比较器的输入电平低于阈值电平时为高电平,当A和B输入端都变成高电平时触发器被置为高电平,输出开关管导通,反之当振荡器在放电期间,A输入端为低电平,触发器被复位,使得输出开关管处于关闭状态。
5V转3.3V,3V,2.8V,1.8V降压2A芯片电路-PW2051
PW2051 是一款由基准电压源、振荡电路、比较器、 PWM/PFM 控制电路等构成的 CMOS 降压型 DC/DC 调整器。利用 PWM/PFM 自动切换控制电路达到可调占空比,具有全输入电压范围内的低纹波、高效率和大输出电流等特点。PW2051 内置功率 MOSFET,集成了过压、过流、过热、 短路等诸多保护电路,在超过控制值时会自动断开,以保护芯片。本产品结合了微型封装和低消耗电流等特点,最适合在移动设备的电源内部使用。
PW2051采用SOT23-5L封装配合较少的外围原件使其非常适用于便携式产品.
产品特点
●最大效率可达 95%
●最大输出电流 1.5A
●超低静态电流 40μA
●甚小输出纹波 <±0.4%
●低压操作 可达 100%占空比
●PWM/PFM 自动切换 占空比自动可调以保持全负载范围内的高效率、低纹波
●短路保护
应用范围
●数码相机、电子记事本、 PDA 等移动设备电源
●照相机、视频设备、通信设备的稳压电源
●微机电源
●机顶盒
典型应用电路
C1为可选电容
引脚配置/说明
引脚号
符号 引脚说明 1
CE 芯片使能端,高有效 2
GND 地 3
LX 内部功率开关输出端口 4
VIN 电源输入端 5 FB 输出电压反馈端
绝对最大额定值 项目
符号 绝对最大额定值 单位 输入电压
VIN -0.3~6.5
V 输出电压
VFB -0.3~6.5 V VLX -0.3~VIN + 0.3 V CE 端电压
VCE -0.3~VIN + 0.3 V LX 端电流
ILX ±2 A 容许功耗
Pd 250 mW 工作环境温度
低成本DCDC转换器34063的应用(图)
低成本DC/DC转换器34063的应用(图)
斩波型开关电源
斩波型开关电源按其拓扑结构通常可以分为3种:降压型(Buck)、升压型(Boost)、升降压型(Buck-boost)。降压型开关电源电路通常如图1所示。
图1中,T为开关管,L1为储能电感,C1为滤波电容,D1为续流二极管。当开关管导通时,电感被充磁,电感中的电流线性增加,电能转换为磁能存储在电感中。设电感的初始电流为iL0,则流过电感的电流与时间t的关系为: iLt= iL1+(Vi-Vo-Vs)t/L,Vs为T的导通电压。
当T关断时,L1通过D1续流,从而电感的电流线性减小,设电感的初始电流为iL1,则则流过电感的电流与时间t的关系:
iLt=iL1-(Vo+Vf)t/L,Vf为D1的正向饱和电压。
图1降压型开关电源基本电路
34063的特殊应用
● 扩展输出电流的应用
DC/DC转换器34063开关管允许的峰值电流为1.5A,超过这个值可能会造成34063永久损坏。由于通过开关管的电流为梯形波,所以输出的平均电流和峰值电流间存在一个差值。如果使用较大的电感,这个差值就会比较小,这样输出的平均电流就可以做得比较大。例如,输入电压为9V,输出电压为 3.3V,采用220μH的电感,输出平均电流达到900mA,峰值电流为1200mA。
单纯依赖34063内部的开关管实现比900mA更高的输出电流不是不可以做到,但可靠性会受影响。要想达到更大的输出电流,必须借助外加开关管。图2和图3是外接开关管降压电路和升压电路。
图2升压型达林顿及非达林顿接法
低成本非隔离ACDC降压转换器电源方案
无变压器的低成本非隔离式AC/DC降压转换器方案
【关键词摘要】非隔离AC/DC电源芯片XD308H BUCK电路无变压器220V转5V220V转12V220V转24V380V转5V380V转12V380V转24V
【概述】非隔离AC-DC电源芯片降压电路,一般采用BUCK电路拓扑结构,常见于小家电控制板电源以及工业控制电源供电。其典型电路规格包含5V/500mA、12V/500mA和24V/500mA等,满足六级能效要求。可通过EFT、雷击、浪涌等可靠性测试,可通过3C、UL、CE等认证。其特点是:电路简单、BOM成本低(外围元件数目极少:无需变压器、光耦),电源体积小、无音频噪音、损耗小发热低。
1)220V转5V降压电路:输入12~380Vac,输出5V/500mA
如图1所示的电路为一个典型的输出为5V/500mA的非隔离电源。它通常应用于家用电器的(电饭煲、洗衣机及其它白色家电)。此电路还适合于其它非隔离供电的应用,比如LED驱动、智能电表、加热器以及辅助电源和工业控制等。
电源系统带有各种保护,包括过热保护(OTP)、VCC欠压闭锁(UVLO)、过载保护(OLP)、短路保护(SCP)等。电路特点:无噪音,发热低。220V转5V降压电路输入级由保险电阻RF1、防雷压敏电阻RV1、整流桥堆D1、EMI滤波电容C4和C5以及滤波电感L2组成。保险电阻RF1为阻燃可熔的绕线电阻,它同时具备多个功能:a)将桥堆D1的浪涌电流限制在安全的范围;b)差模噪声的衰减;c)在其它任何元件出现短路故障时,充当输入保险丝的功能(元件故障时必须安全开路,不应产生任何冒烟、冒火
ADM3251E应用电路3.3V供电附5V供电电路比较复习进程
ADM3 2 5 1 E 应用
电路
3. 3 V 供电附 5 V
供电
电路比较
实现ADM3251E与3.3V系统的RS-232 接口隔离
随着对处理速度及功耗的需求增长,控制芯片越来越趋向于小体积,低功耗。
因此其工作所需的电源电压也降低至 3.3V,甚至1.8V。这造成了与5V供电的接口芯片连接时,电平不匹配的问题。
RS-232总线标准是最常见的串行通信总线标准之一,主要应用于系统间的通信连接。在一些应用领域,RS-232接口的隔离防护是必须的,ADI公司基于iCoupler磁隔离技术的隔离型RS-232接口收发器ADM3251E,内部集成DC- DC隔离电源,信号隔离通道及RS-232收发器,接口带有±5KV的ESD保护和25KV/us的共模抑制能力,非常适于工作在苛刻的电气环境或频繁插拔RS 232 电缆的环境中。
ADM3251E的出现替代了之前的光耦隔离方案,减少PCB面积,提高接口稳定性且降低了成本。由于其内部集成有DC-DC隔离电源,因此无需外部分立的DC-DC 隔离电源模块供电,提供了单芯片的RS-232接口隔离方案。但值得注意的是,ADM3251E的电源输入引脚VCC,只有在5V输入电压时,才能使芯片内部的DC-DC隔离电源有效,当VCC采用3.3V供电时,芯片内部DC- DC 隔离电源无效,此时需要我们外接分立的DC-DC隔离电源模块供电。
由于ADM3251E的输入侧Tin引脚是CMOS结构,其输入电压范围是:高电平不低于0.7VCC,低电平不高于0.3VCC,即当5V供电时,输入高电平需高于3.5V,输入低电平需低于1.5V。下面是我搜集的几种简单的电平转换电路,以方便3.3V 的控制信号与5V供电的ADM3251E通信。
ADM3251E应用电路3.3V供电附5V供电电路比较
实现ADM3251E与3.3V系统的RS-232接口隔离
随着对处理速度及功耗的需求增长,控制芯片越来越趋向于小体积,低功耗。因此其工作所需的电源电压也降低至3.3V,甚至1.8V。这造成了与5V供电的接口芯片连接时,电平不匹配的问题。
RS-232总线标准是最常见的串行通信总线标准之一,主要应用于系统间的通信连接。在一些应用领域,RS-232接口的隔离防护是必须的,ADI公司基于iCoupler磁隔离技术的隔离型RS-232接口收发器ADM3251E,内部集成DC-DC 隔离电源,信号隔离通道及RS-232收发器,接口带有±15KV的ESD保护和25KV/us的共模抑制能力,非常适于工作在苛刻的电气环境或频繁插拔RS-232电缆的环境中。
ADM3251E的出现替代了之前的光耦隔离方案,减少PCB面积,提高接口稳定性且降低了成本。由于其内部集成有DC-DC隔离电源,因此无需外部分立的DC-DC隔离电源模块供电,提供了单芯片的RS-232接口隔离方案。但值得注意的是,ADM3251E的电源输入引脚VCC,只有在5V输入电压时,才能使芯片内部的DC-DC隔离电源有效,当VCC采用3.3V供电时,芯片内部DC-DC 隔离电源无效,此时需要我们外接分立的DC-DC隔离电源模块供电。
由于ADM3251E的输入侧Tin引脚是CMOS结构,其输入电压范围是:高电平不低于0.7VCC,低电平不高于0.3VCC,即当5V供电时,输入高电平需高于3.5V,输入低电平需低于1.5V。下面是我搜集的几种简单的电平转换电路,以方便3.3V的控制信号与5V供电的ADM3251E通信。
5V降压转3.3V,5V转3V电路图芯片
5V降压转3.3V和3V都是低压,两个之间的压差效率,所以效率和工作温度这块都会比较优秀,输入和输出的最低压差外是越小越好。
1,如果电流比较小,可以用LDO:
PW6566 系列是使用CMOS 技术开发的低压差,高精度输出电压,低消耗电流正电压型电压稳压器。由于内置有低通态电阻晶体管,因而压差低。
5V降压转3.3V或者3V,可以输出1A以下,1A,2A,3A,5V降压3.3vV可以输出1A 以下,1A,2A,3A的降压芯片,不同输出电流,芯片内置的整流MOS管也是不一,在成本上也是有大的差异,需要贴近合适的要求,来达到性价比最高的选型。
PW2058/PW2059 是一种恒频、电流模式降压转换器。该器件集成了一个主开关和一个同步整流器,无需外加肖特基二极管就可以实现高效率。它是用单电池锂离子电池为便携式设备供电的理想选择。输出电压可调低至0.6V,PW2058/PW2059 还可在100%的占空比下进行低电压降操作,延长了便携式系统的电池寿命。该装置提供PWM 控制和PFM 模式开关控制两种工作模式,可在更宽的负载范围内实现高效率。
特征
⚫效率高达96%
⚫1.5MHz 恒频运行
⚫800mA 输出电流
⚫不需要肖特基二极管
⚫2V 至6V 输入电压范围
⚫输出电压低至0.6V
⚫低负载下高效率的PFM 模式⚫退出运行时100%占空比⚫低静态电流:20μ A
⚫斜坡补偿电流模式控制,以获得良好的线路和负载瞬态响应
⚫短路保护
⚫热故障保护
⚫涌流限制和软启动
⚫<1μA 关断电流
⚫SOT23-5 包
PW2051 是一款由基准电压源、振荡电路、比较器、 PWM/PFM 控制电路等构成的 CMOS 降压型 DC/DC 调整器。利用 PWM/PFM 自动切换控制电路达到可调占空比,具有全输入电压范围内的低纹波、高效率和大输出电流等特点。 PW2051 内置功率 MOSFET , 集成了过压、过流、过热、短路等诸多保护电路,在超过控制值时会自动断开,以保护芯片。本产品结合了微型封装和低消耗电流等特点,最适合在移动设备的电源内部使用。 PW2051 采用 SOT23-5L 封装配合较少的外围原件使其非常适用于便携式产品.
5V3.3V电平转换问题
5V3.3V电平转换问题
5V 3.3V电平转换问题总结
在5V和3.3V芯⽚与模块之间经常要使⽤到电平之间的转换,现总结如下。
1、问题来源
常⽤电平类型包括5V-CMOS、5V-TTL、3.3V-LVCMOS、3.3V-LVTTL,这四种电平允许输⼊和输出的最⼤、最⼩⾼低电平阈值有所差异,因此,在连接时,有时需要进⾏相应的电平转换以使输⼊和输出之间的电平匹配。
如下表所列是常⽤的上述四种电平⾼低电平阈值,需要注意的是,不同的芯⽚⼚商在制造时,上述值有所差异,具体以芯⽚的数据⼿册为准,以下表格中数值参照Texas Instrument
O=OUTPUT,I=INPUT,VOH(min)表⽰:输出在此值~VCC之间,均为⾼电平,其他依次类似。
假如,有⼀个3.3V-LVTTL器件,输出的⾼电平,且⾼电平值为2.4V,送到⼀个5V-CMOS 器件,对5V-CMOS,仅3.5V以上才能识别为⾼电平,⽽2.4V电平属于⾼低中间未知的⼀个电平范围之内,因此,不能保证其能够被准确的识别为⾼电平,在这种情况下,需要进⾏电平转换。同时,对于3.3V器件,由于其引脚⼤多数情况下⽆法耐受5V的电压,因此,也需要进⾏相应的电平转换。
2、5V器件——>3.3V器件
这种情况⼤部分情况下是由于3.3V器件⽆法耐受5V电平,导致需要增加相应的转换电路。在此部分中,5V器件统称为前
级,3.3V器件统称为后级。
(1)电阻分压法:前级输出通过两个电阻(常取kΩ级别的)进⾏分压,分压后输出给后级。操作较为简单,但需要注意某些应⽤:
5v和3.3v转换
一、3.3V信号转5V信号
二、5V信号转3.3V信号
一、3.3V信号转5V信号
1、采用MOSFET
如图1所示,电路由一个N沟道FET和一个上拉电阻构成。在选择R1的阻值时,需要考虑输入的开关速度和R1上的电流消耗。当R1值较小时,可以提高输入开关速度,获取更短的开关时间,但却增大了低电平时R1上的电流消耗。
图1,采用MOSFET实现3V至5V电平转换
2、采用二极管钳位
如图2所示,由于3.3V信号的低电平一般不高于0.5V,当3.3V系统输出低电平时,由于D1的钳位作用,使得5V输出端会得到0.7V~1.2V的低电压,低于ADM3251E的最高不超过1.5V的低电平阈值。当3.3V系统输出高电平时,由于D2的钳位作用,使5V输出端会得到约4V的高电平电压,高于ADM3251E的最低不低于3.5V的高电平阈值。
图2,采用二极管实现3V至5V电平转换
3、采用三极管
如图3所示,当3.3V系统高电平信号输入时,Q1导通,Q2截止,在5V输出端得到5V电压。当3.3V系统低电平信号输入时,Q1截止,Q2导通,在5V输出端得到低电平。此电路同样也适用于5V转3V的情况,只要将上拉的电压换成3.3V即可。
图3,采用三极管实现3V至5V电平转换
以上三种方法比较简单,能够很方便的实现电平转换,但对传输速率有一定的限制,对于9600,19200等常用传输速率,使用这些方法没有问题。也可以采用电压比较器、运算放大器或OC门芯片74HC05来实现3V 至5V的电平转换。对于高于100K传输速率的应用,我们可采用一些专门的电平转换芯片,如74LVX4245、SN74LVC164245、MAX3370等,但这些芯片价格偏高。当然,我们也可以采用ADUM1201搭配DC-DC隔离电源模块和RS-232收发器的分立隔离方案,ADUM1201不但能对信号进行隔离,还能够在隔离信号的同时方便的实现3V至5V的电平转换。
3.3v转15v电平转换电路
3.3v转15v电平转换电路
要将3.3V转换为15V的电平,可以采用多种电路设计。一种常见的方法是使用升压转换器,例如Boost转换器。Boost转换器可以将输入电压提升到所需的输出电压水平。另一种方法是使用电荷泵电路,它可以通过电容器充放电的方式实现电压倍增。此外,使用集成电路如DC-DC升压转换器芯片也是一种便捷的方式。这些芯片通常具有内置的开关管和控制电路,能够高效地将低电压转换为高电压。在设计电路时,需要考虑输入输出电流、效率、稳定性以及所需的精度等因素。另外,还需要注意电路的保护措施,以防止过压、过流等情况对电路和器件造成损坏。最后,根据具体的应用场景和要求,选择合适的电路设计方案和器件。希望这些信息能够对你有所帮助。
5V 3.3V电平转换问题
5V 3.3V电平转换问题总结
在5V和3.3V芯片与模块之间经常要使用到电平之间的转换,现总结如下。
1、问题来源
常用电平类型包括5V-CMOS、5V-TTL、3.3V-LVCMOS、3.3V-LVTTL,这四种电平允许输入和输出的最大、最小高低电平阈值有所差异,因此,在连接时,有时需要进行相应的电平转换以使输入和输出之间的电平匹配。
如下表所列是常用的上述四种电平高低电平阈值,需要注意的是,不同的芯片厂商在制造时,上述值有所差异,具体以芯片的数据手册为准,以下表格中数值参照Texas Instrument
O=OUTPUT,I=INPUT,VOH(min)表示:输出在此值~VCC之间,均为高电平,其他依次类似。
假如,有一个3.3V-LVTTL器件,输出的高电平,且高电平值为2.4V,送到一个5V-CMOS 器件,对5V-CMOS,仅3.5V以上才能识别为高电平,而2.4V电平属于高低中间未知的一个电平范围之内,因此,不能保证其能够被准确的识别为高电平,在这种情况下,需要进行电平转换。同时,对于3.3V器件,由于其引脚大多数情况下无法耐受5V的电压,因此,也需要进行相应的电平转换。
2、5V器件——>3.3V器件
这种情况大部分情况下是由于3.3V器件无法耐受5V电平,导致需要增加相应的转换电路。在此部分中,5V器件统称为前级,3.3V器件统称为后级。
(1)电阻分压法:前级输出通过两个电阻(常取kΩ级别的)进行分压,分压后输出给后级。操作较为简单,但需要注意某些应用:
a)若分压电阻过大,会导致后级流入电流过小,不适合某些需要一定驱动能力要求的器件;b)若分压电阻过小,会导致功耗过大,不适合低功耗的应用,且前级引脚输出会等效存在一定的小阻值电阻,影响分压;
ADM3251E应用电路3.3V供电附5V供电电路比较复习进程
A D M3251E应用电路
3.3V供电附5V供电
电路比较
实现ADM3251E与3.3V系统的RS-232接口隔离
随着对处理速度及功耗的需求增长,控制芯片越来越趋向于小体积,低功耗。因此其工作所需的电源电压也降低至3.3V,甚至1.8V。这造成了与5V供电的接口芯片连接时,电平不匹配的问题。
RS-232总线标准是最常见的串行通信总线标准之一,主要应用于系统间的通信连接。在一些应用领域,RS-232接口的隔离防护是必须的,ADI公司基于iCoupler磁隔离技术的隔离型RS-232接口收发器ADM3251E,内部集成DC-DC隔离电源,信号隔离通道及RS-232收发器,接口带有±15KV的ESD保护和25KV/us的共模抑制能力,非常适于工作在苛刻的电气环境或频繁插拔RS-232电缆的环境中。
ADM3251E的出现替代了之前的光耦隔离方案,减少PCB面积,提高接口稳定性且降低了成本。由于其内部集成有DC-DC隔离电源,因此无需外部分立的DC-DC隔离电源模块供电,提供了单芯片的RS-232接口隔离方案。但值得注意的是,ADM3251E的电源输入引脚VCC,只有在5V输入电压时,才能使芯片内部的DC-DC隔离电源有效,当VCC采用3.3V供电时,芯片内部DC-DC隔离电源无效,此时需要我们外接分立的DC-DC隔离电源模块供电。
由于ADM3251E的输入侧Tin引脚是CMOS结构,其输入电压范围是:高电平不低于0.7VCC,低电平不高于0.3VCC,即当5V供电时,输入高电平需高于3.5V,输入低电平需低于1.5V。下面是我搜集的几种简单的电平转换电路,以方便3.3V的控制信号与5V供电的ADM3251E通信。
3.3v转5v电压三极管电路
3.3v转5v电压三极管电路
摘要:
1.3.3v 转5v 电压三极管电路的原理
2.电压三极管电路的组成部分
3.电压三极管电路的优点与局限性
4.应用实例
正文:
3.3v 转5v 电压三极管电路是一种常见的电子电路,其主要功能是将3.3v 的电压转换为5v 电压,以满足不同电子设备的电压需求。这种电路主要由三极管、电阻和电容等元器件组成,通过调整元器件的参数,可以实现稳定的电压输出。
电压三极管电路的组成部分主要包括:
1.三极管:作为电路的核心元件,用于实现电压的放大和开关控制。
2.电阻:用于限制电流和调整电路的工作状态。
3.电容:用于滤除电路中的高频噪声,保证输出电压的稳定性。
4. diode: 保护电路防止反向电压损坏。
电压三极管电路具有以下优点:
1.电路简单,容易实现,制作成本低。
2.电流放大能力强,可以承受较大的负载电流。
3.输出电压稳定,抗干扰能力强。
然而,电压三极管电路也存在一些局限性,例如:
1.效率较低,容易产生热量,需要合理设计散热结构。
2.输入输出电压范围有限,不能满足所有电压需求。
在实际应用中,3.3v 转5v 电压三极管电路被广泛用于电子设备、计算机外设、通信设备等领域。例如,在USB 充电器中,可以通过这种电路将USB 接口的3.3v 电压转换为5v 电压,以满足手机、平板等设备的充电需求。
总之,3.3v 转5v 电压三极管电路是一种实用的电子电路,通过调整元器件参数,可以实现稳定可靠的电压输出。
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低成本隔离式 3.3V 到5V DC/DC 转换器的
分立设计
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。
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。