低成本隔离式 3.3-V 到 5-V DC/DC 转换器的分立设计(TI文档)

原创 云深之无迹 2025-06-10 20:26

在缺乏合适集成模块的场景下,如何用标准分立器件设计一个可靠的隔离式升压电源。

应用背景与设计动机

目标应用:远距离数据传输系统,3.3V 控制器端供电,5V 总线驱动端通信(如 RS-485 等),需保证信号完整性。

现实问题

集成式隔离 DC/DC 转换器难找(特别是 3.3V ➝ 5V 且有隔离要求的)

有的交期长、价格贵(稳定输出模块甚至达到 $10)

标准模块隔离电压通常限制在 1~2kV

解决思路:用分立器件(逻辑门 + MOSFET + 变压器 + LDO)搭建一个成本低、隔离高、易定制的 DC/DC 转换器结构

整个系统其实是这样工作的:

1.用逻辑门做振荡器

就像用数字门电路做一个“震荡器”,发出规则的高低电平。形成一个稳定的方波信号(比如每秒 33 万次“高→低”),频率在 330kHz 左右。

2.方波送到推挽驱动器(MOS 管)

这两个 MOS 管就像是“开关”,交替地推动变压器的初级绕组。推挽结构意味着一边导通、另一边断开,像跷跷板一样来回推动。

3.变压器产生感应电压

因为有变压器,电压被感应到另一边(副边)。副边的信号被整流成直流电,然后接一个滤波电容“平滑”。

4.接个 LDO 把电压稳住

如果你想要一个非常稳定的 5V 输出,就再接一个线性稳压器(LDO),把轻微波动变成稳稳当当的 5V。

当然了,问题也有很多,不过也不失为自己一个好学习的东西。

方案结构与原理(图1)

原理图
原理图

该方案基于推挽式变压器驱动结构,工作原理如下:

[ 反相门振荡器 ] ──▶ [先断后通逻辑] ──▶ [2路MOSFET推挽驱动]
                                               │
                                             [变压器]──▶ 整流/滤波──▶ LDO 稳压

推挽结构:通过两个 MOSFET 交替导通,推动变压器的两个绕组交替工作

核心要求:输入为 50% 占空比的方波信号

输出波形通过整流获得直流,并进一步 LDO 稳压到 5V

振荡器部分设计(图2)

TP1 和 TP2 的振荡器波形
TP1 和 TP2 的振荡器波形

使用 3 个反相门构成环形振荡器(U1a, U2a, U2b)

设置振荡频率:330kHz(通过 100pF 电容 + 两个 10kΩ 电阻),在 3.0~3.6V 范围内仍保持接近 50% 占空比,频率稳定性 ±1.5%。

先断后通逻辑(图3)

先断后通波形
先断后通波形

使用施密特触发 NAND 门构造交叉延时(U1c、U1d) ,防止 MOSFET 同时导通造成短路或磁饱和,逻辑门还用作极性转换,确保驱动信号对称。在之前的设计里面也可以看到

功率变压器设计(图4)

image-20250610201152391
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变压器参数:

匝比 2:1(副边/初级)

初级电感 0.9mH

额定隔离电压 3kV(适用于高安全场合),方波驱动激励变压器磁芯交替导通。

整流与滤波输出(图5)

VOUT=4.93V 时的输出纹波
VOUT=4.93V 时的输出纹波

用 2 个肖特基二极管(D1, D2)构成全波整流器;降压电容 (Cb3) 滤波获得 DC 输出,输出可直接使用(不稳)或后接 LDO(稳定输出)。

稳压器选型与效率考量(图6)

效率对比
效率对比

稳压器示例:TI TPS76650(0.5 美元,LDO)

好像价格还行
好像价格还行

LDO 优点:输出纹波低,具备短路保护 / 热关断。

LDO 缺点:效率低(尤其输入/输出电压差大时)

图6 展示该方案与稳定集成模块的效率对比,验证成本-性能权衡关系。

BOM 简化与高速逻辑注意事项

旁路电容器要求较大(0.1μF 以上),因:

采用了高速 CMOS(AHC/LVC)门电路,动态负载较高,特别是反相驱动 MOSFET 时。

总体器件数量少,控制在 10~15 颗左右,制造简单,体积略大但成本低

对比项
分立方案优势
注意事项
成本
比高性能集成模块低 50% 以上
板级空间更大
灵活性
可选任意隔离变压器(1~6kV)
驱动逻辑需保护
成熟性
设计控制权全在工程师
无工业认证,需验证可靠性
性能
输出可接 LDO 保证稳定性
LDO 效率低,不适合大电流

https://www.ti.com.cn/cn/lit/an/zhct100/zhct100.pdf?ts=1749525531171&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com.cn%252Fsitesearch%252Fzh-cn%252Fdocs%252Funiversalsearch.tsp%253FlangPref%253Dzh-CN%2526nr%253D13%2526searchTerm%253D%25E4%25BF%25A1%25E5%258F%25B7%25E5%25AE%258C%25E6%2595%25B4%25E6%2580%25A7

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