一款5 W高压变压器设计

曹宏伟，李 鑫，骆训卫

（1.同方电子科技有限公司，江西 九江 332002；2.装发军代局武汉代表室，江西 九江 332002）

0 引 言

现在的一些预/后选器等需要用到高压电源来导通/关断高压开关，高压电源电压往往高达几百伏，而大部分直流输入电压仅在三十几伏以下，本文解决了如何能够高效、低成本的从低电压输入转换为高电压输出。这款高压电路采用了单端反激式原理来设计，由电源升压管理芯片LT3757和高压变压器相结合的方法实现。它的优点是低压输入电压范围宽，电路转换效率高，具有可编程固定或可同步工作频率，可以选择积层贴片陶瓷电容器，以优化电源尺寸、提高电源性能和降低电源成本，可编程软启动允许控制输出电压接通时间，具有迟滞的可编程输入欠压闭锁，灵活多变的高压变压器设计和应用，可以得到自己需要的高压输出电压值[1]。

1 电路原理

1.1 原理图

高压电路原理框图如图1所示，由输入滤波、高压变压器、PWM控制、整流滤波和反馈网络等5部分组成[2]。低压直流输入经过输入滤波后，一方面PWM控制芯片采样输入电压，经过欠压电阻配置设置合适的欠压闭锁值，一方面输入电流流经高压变压器的初级绕组，PWM控制根据反馈网络反馈的高压输出电压值控制高压变压器的初级绕组电流通断，调整高压变压器的次级绕组电压值，次级绕组电压值经过整流滤波后输出稳定的高压电压值，具体电路图如图2所示[3]。

图2 电路图

电感L1和电容C1组成输入滤波，电阻R1和电阻R2配置输入欠压闭锁值，电阻R6为电流取样电阻，具有过流保护作用。芯片N1（LT3757）的2脚与反馈网络的电压值进行比较，根据反馈电压值的大小，芯片N1的7脚控制开关管V1的通断，当开关管V1导通期间，输入电流流进高压变压器T1的初级绕组，此时次级二极管V4反向截止不导通，故次级绕组无电流流过，输出电容C9给负载供电，此时初级绕组相当于一个纯电感储存能量，当开关管V1关断时，初级绕组电流停止，此时次级绕组电压反向，此反激电压使整流二极管V4导通，同时初级储存的能量传送到次级绕组，提供负载电流，同时给输出电容C9充电。芯片N1通过反馈网络电压调节高压变压器中高频电压方波占空比实现稳定的高压输出。

1.2 控制芯片

控制芯片LT3757是凌力尔特公司2009年推出的宽输入范围DC/DC控制器，该器件适用于升压型、反激式等电源应用，能够产生正或负的稳定输出电压。LT3757有两个电压反馈误差放大器和基准电压。一套用于正输出电压，具有1.60 V基准电压；另一套用于负输出电压，具有-0.8 V基准电压，两个基准都来自单一反馈引脚，从而使LT3757成为适用于多种类型电源设计的高度通用DC/DC控制器。

LT3757在2.9～40 V的输入电压范围内工作，实现高达96%的效率，非常适用于工业、汽车、医疗和电信应用。由于具有100 kHz至1 MHz的可编程固定或可同步工作频率，因此可以选择多种电感器和电容器。固定频率、电流模式控制可在宽电源和输出电压范围内实现稳定工作，加上全陶瓷电容器设计，可以实现更小尺寸的解决方案。

LT3757用内部调节的7.2 V电源驱动外部N沟道场效应管。可编程软启动允许控制输出电压接通时间。此外，LT3757具有迟滞的可编程输入欠压闭锁以及输出过压和过流保护。

1.3 技术指标要求

（1）输入电压范围：额定24 V电压输入；电压范围为9～32 V。

（2）输出电压：直流300 V。

（3）输出功率：5 W。

2 变压器设计

2.1 设计要求

变压器满足以下设计要求[4]。（1）变换器电路形式：单端反激式；升压。（2）工作频率f：120 kHz（T=8.3 μS）。（3）输入电压范围：9 V～32 V。（4）额定输入电压：24 V。（5）最大工作比：0.4。（6）输出电压：300 V。（7）输出功率：5 W。（8）装配高度：低于15 mm。

2.2 设计计算

2.2.1 电磁参数设计

变压器设计包括电磁参数和线圈结构设计两部分，其中电磁参数设计如下文所述。

2.2.1.1 变压器初、次级电压计算

取线路压降和铜阻为输入输出电压的1%，输入输出器件导通压降为0.2 V。

（1）计算初级电压

（2）计算次级电压

2.2.1.2 变压器工作比计算

（1）计算电压变化系数

（2）计算工作比

2.2.1.3 变压器匝数比计算

2.2.1.4 变压器初级电感计算

（1）计算临界电感

（2）取Lp=0.02（mH）

2.2.1.5 变压器初级峰值电流计算

2.2.1.6 变压器各绕组有效电流计算

（1）计算初级绕组有效电流

（2）计算次级绕组有效电流

2.2.1.7 变压器磁芯尺寸计算

（1）计算乘积面积（取ΔB=120 mT，j=3A/mm2）

（2）按AP选择磁芯，查磁芯参数表，取EI19（R2KB）磁芯。并查得参数：AP=0.118 cm4，Ae=23 mm2。

2.2.1.8 变压器气隙计算

2.2.1.9 变压器绕组匝数计算

（1）计算初级绕组匝数

NP=ΔBLg×104/（0.4πIinmax）=10.6（匝），取10匝。

（2）计算次级绕组匝数

2.2.1.10 变压器绕组导线规格计算

（1）计算初级绕组导线规格：

（2）计算次级绕组导线规格

查线规表，兼顾骨架绕线空间及电流密度适度调整，初级绕组导线规格取两根0.4 mm并绕；次级绕组导线规格取0.12 mm。

2.2.2 线圈结构设计

变压器线圈结构设计数据和过程如下。

2.2.2.1 骨架及绕组配置

由于变压器装配高度要求低于15 mm，选取EI19卧式骨架（13 mm）。从制程工艺角度考虑，绕组配置一组初级和一组次级，并且先绕制次级绕组再绕制初级绕组。

2.2.2.2 绝缘结构选择

变压器绝缘等级采用B级绝缘。绕组导线进行平绕，次级绕组层间绝缘采用1×0.06聚酯胶带，各绕组组外采用3×0.06聚酯胶带，绕组端空1.5 mm。变压器整件进行绝缘漆烘浸。

2.2.2.3 绕组参数计算

初级绕组骨架空间每层可绕6匝，10匝绕2层；次级绕组骨架空间每层可绕52匝，230匝绕5层。

2.3 实物制作

2.3.1 变压器样品制作及修改完善

制作一款成熟的变压器需要经历技术要求输入、参数设计、实物打样、线路调试、参数修正及正样制作等6个步骤；根据参数设计计算出的结果能满足基本要求，在线路调试过程中依据线路具体情况反复修正参数，使变压器达到最佳状态。

2.3.1.1 变压器样品制作

根据上述设计参数计算的结果制作出变压器样品。

（1）线圈绕制

取EI19卧式骨架（高度≤13 mm），先用0.12 mm漆包线绕230匝（5层），层间绝缘采用1×0.06聚酯胶带，组外绝缘采用3×0.06聚酯胶带；再用0.4 mm漆包线双线并绕10匝（2层），绕组端空1.5 mm，组外绝缘采用3×0.06聚酯胶带；绕组出线焊接在对应的骨架插针上。

（2）整件装配

取气隙为=0.03 cm的EI19（R2KB）磁芯，装入以上绕制的线圈中，用绝缘胶带包固，磁芯与骨架间隙内插入环氧板衬垫加以紧固。

2.3.1.2 修改完善

取上述制作的高压反激变压器装入线路印制板中进入调试阶段，根据调试反馈的数据信息处理分析，对变压器参数进行如下3点修正：

（1）依据电路在实际工作过程中的占空情况，给变压器选取合适的工作点。将电磁参数设计中匝数比N=23修正为N=20；

（2）依据电路在实际工作过程中的负载特性及变压器温升情况，j=3A/mm2的取值修正为j=4A/mm2，d1=2×0.4 mm修正为d1=2×0.3 mm；

（3）依据以上两点修正，将电磁参数设计中Lg=0.03（cm）修正为Lg=0.024（cm）；

通过以上参数修正并进行测试验证，电路效率及器件温升都得到优化。变压器设计确定结论见以下5点。

（1）磁芯

采用铁氧体（R2KB）EI19功率磁芯（Lg=0.024 cm），配卧式骨架（高度≤13 mm）。

（2）绕组配置

一组初级和一组次级，采用先绕制次级绕组再绕制初级绕组的工艺方式。

（3）绝缘结构

采用B级绝缘。层间绝缘采用1×0.06聚酯胶带，组外绝缘采用3×0.06聚酯胶带，绕组端空1.5 mm，变压器整件采用绝缘漆烘浸。

（4）绕组参数

初级绕组0.3mm漆包线双线并绕10匝，绕1层；次级绕组0.12 mm漆包线绕200匝，绕4层；

（5）整件装配

磁芯装入已绕制线圈的骨架中，用5×0.06聚酯胶带包固，磁芯与骨架间隙内插入环氧板衬垫加以紧固。

2.3.2 变压器电气测试

根据上述步骤制作出高压反激变压器正样，并对整件进行电气测试，测试结果如表1所示。

表1 高压反激变压器电气测试

3 高压电源测试验证

根据上述设计思想制作出的高压电源[5]，在输入电压9～32 V内可以实现稳定的高压输出[6]；输出电压高达300 V，输出功率达到5 W，满足预/后选器等需要用到高压电源来导通/关断高压开关所用。当输入电压低于8 V时，高压电源不工作，达到欠压保护的作用。高压电源指标测试如表2所示。

表2 高压电源指标测试

高压电源采用升压型电源管理芯片和高压变压器[5]单端反激式工作模式相结合的方法实现，做到了小而轻的特点，根据电磁兼容性[7]需求，高压电源用金属外壳封装（60 mm×32 mm×22 mm），如图3所示。

图3 高压电源示意图

4 结 论

本文对高压电源的工作原理和高压变压器的设计进行了详细的介绍，根据技术方案和技术指标要求设计和实现了一款稳定输出的高压低纹波输出电源[8]。

该高压电源所需器件为普通的电阻、电容和开关管等，经济成本比较低，性价比比较高。该电路输入范围宽、电路转换效率高、功能多，高压输出稳定可靠，只要根据电子设备工作要求选用不同参数的电压反馈网络、开关管和设计不同的高压变压器等，可以满足不同输入、不同输出和不同输出功率的高压输出。