一款5 W高壓變壓器設計

曹宏偉，李 鑫，駱訓衛

（1.同方電子科技有限公司，江西 九江 332002；2.裝發軍代局武漢代表室，江西 九江 332002）

0 引 言

現在的一些預/后選器等需要用到高壓電源來導通/關斷高壓開關，高壓電源電壓往往高達幾百伏，而大部分直流輸入電壓僅在三十幾伏以下，本文解決了如何能夠高效、低成本的從低電壓輸入轉換為高電壓輸出。這款高壓電路采用了單端反激式原理來設計，由電源升壓管理芯片LT3757和高壓變壓器相結合的方法實現。它的優點是低壓輸入電壓范圍寬，電路轉換效率高，具有可編程固定或可同步工作頻率，可以選擇積層貼片陶瓷電容器，以優化電源尺寸、提高電源性能和降低電源成本，可編程軟啟動允許控制輸出電壓接通時間，具有遲滯的可編程輸入欠壓閉鎖，靈活多變的高壓變壓器設計和應用，可以得到自己需要的高壓輸出電壓值[1]。

1 電路原理

1.1 原理圖

高壓電路原理框圖如圖1所示，由輸入濾波、高壓變壓器、PWM控制、整流濾波和反饋網絡等5部分組成[2]。低壓直流輸入經過輸入濾波后，一方面PWM控制芯片采樣輸入電壓，經過欠壓電阻配置設置合適的欠壓閉鎖值，一方面輸入電流流經高壓變壓器的初級繞組，PWM控制根據反饋網絡反饋的高壓輸出電壓值控制高壓變壓器的初級繞組電流通斷，調整高壓變壓器的次級繞組電壓值，次級繞組電壓值經過整流濾波后輸出穩定的高壓電壓值，具體電路圖如圖2所示[3]。

圖2 電路圖

電感L1和電容C1組成輸入濾波，電阻R1和電阻R2配置輸入欠壓閉鎖值，電阻R6為電流取樣電阻，具有過流保護作用。芯片N1（LT3757）的2腳與反饋網絡的電壓值進行比較，根據反饋電壓值的大小，芯片N1的7腳控制開關管V1的通斷，當開關管V1導通期間，輸入電流流進高壓變壓器T1的初級繞組，此時次級二極管V4反向截止不導通，故次級繞組無電流流過，輸出電容C9給負載供電，此時初級繞組相當于一個純電感儲存能量，當開關管V1關斷時，初級繞組電流停止，此時次級繞組電壓反向，此反激電壓使整流二極管V4導通，同時初級儲存的能量傳送到次級繞組，提供負載電流，同時給輸出電容C9充電。芯片N1通過反饋網絡電壓調節高壓變壓器中高頻電壓方波占空比實現穩定的高壓輸出。

1.2 控制芯片

控制芯片LT3757是凌力爾特公司2009年推出的寬輸入范圍DC/DC控制器，該器件適用于升壓型、反激式等電源應用，能夠產生正或負的穩定輸出電壓。LT3757有兩個電壓反饋誤差放大器和基準電壓。一套用于正輸出電壓，具有1.60 V基準電壓；另一套用于負輸出電壓，具有-0.8 V基準電壓，兩個基準都來自單一反饋引腳，從而使LT3757成為適用于多種類型電源設計的高度通用DC/DC控制器。

LT3757在2.9～40 V的輸入電壓范圍內工作，實現高達96%的效率，非常適用于工業、汽車、醫療和電信應用。由于具有100 kHz至1 MHz的可編程固定或可同步工作頻率，因此可以選擇多種電感器和電容器。固定頻率、電流模式控制可在寬電源和輸出電壓范圍內實現穩定工作，加上全陶瓷電容器設計，可以實現更小尺寸的解決方案。

LT3757用內部調節的7.2 V電源驅動外部N溝道場效應管。可編程軟啟動允許控制輸出電壓接通時間。此外，LT3757具有遲滯的可編程輸入欠壓閉鎖以及輸出過壓和過流保護。

1.3 技術指標要求

（1）輸入電壓范圍：額定24 V電壓輸入；電壓范圍為9～32 V。

（2）輸出電壓：直流300 V。

（3）輸出功率：5 W。

2 變壓器設計

2.1 設計要求

變壓器滿足以下設計要求[4]。（1）變換器電路形式：單端反激式；升壓。（2）工作頻率f：120 kHz（T=8.3 μS）。（3）輸入電壓范圍：9 V～32 V。（4）額定輸入電壓：24 V。（5）最大工作比：0.4。（6）輸出電壓：300 V。（7）輸出功率：5 W。（8）裝配高度：低于15 mm。

2.2 設計計算

2.2.1 電磁參數設計

變壓器設計包括電磁參數和線圈結構設計兩部分，其中電磁參數設計如下文所述。

2.2.1.1 變壓器初、次級電壓計算

取線路壓降和銅阻為輸入輸出電壓的1%，輸入輸出器件導通壓降為0.2 V。

（1）計算初級電壓

（2）計算次級電壓

2.2.1.2 變壓器工作比計算

（1）計算電壓變化系數

（2）計算工作比

2.2.1.3 變壓器匝數比計算

2.2.1.4 變壓器初級電感計算

（1）計算臨界電感

（2）取Lp=0.02（mH）

2.2.1.5 變壓器初級峰值電流計算

2.2.1.6 變壓器各繞組有效電流計算

（1）計算初級繞組有效電流

（2）計算次級繞組有效電流

2.2.1.7 變壓器磁芯尺寸計算

（1）計算乘積面積（取ΔB=120 mT，j=3A/mm2）

（2）按AP選擇磁芯，查磁芯參數表，取EI19（R2KB）磁芯。并查得參數：AP=0.118 cm4，Ae=23 mm2。

2.2.1.8 變壓器氣隙計算

2.2.1.9 變壓器繞組匝數計算

（1）計算初級繞組匝數

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

（2）計算次級繞組匝數

2.2.1.10 變壓器繞組導線規格計算

（1）計算初級繞組導線規格：

（2）計算次級繞組導線規格

查線規表，兼顧骨架繞線空間及電流密度適度調整，初級繞組導線規格取兩根0.4 mm并繞；次級繞組導線規格取0.12 mm。

2.2.2 線圈結構設計

變壓器線圈結構設計數據和過程如下。

2.2.2.1 骨架及繞組配置

由于變壓器裝配高度要求低于15 mm，選取EI19臥式骨架（13 mm）。從制程工藝角度考慮，繞組配置一組初級和一組次級，并且先繞制次級繞組再繞制初級繞組。

2.2.2.2 絕緣結構選擇

變壓器絕緣等級采用B級絕緣。繞組導線進行平繞，次級繞組層間絕緣采用1×0.06聚酯膠帶，各繞組組外采用3×0.06聚酯膠帶，繞組端空1.5 mm。變壓器整件進行絕緣漆烘浸。

2.2.2.3 繞組參數計算

初級繞組骨架空間每層可繞6匝，10匝繞2層；次級繞組骨架空間每層可繞52匝，230匝繞5層。

2.3 實物制作

2.3.1 變壓器樣品制作及修改完善

制作一款成熟的變壓器需要經歷技術要求輸入、參數設計、實物打樣、線路調試、參數修正及正樣制作等6個步驟；根據參數設計計算出的結果能滿足基本要求，在線路調試過程中依據線路具體情況反復修正參數，使變壓器達到最佳狀態。

2.3.1.1 變壓器樣品制作

根據上述設計參數計算的結果制作出變壓器樣品。

（1）線圈繞制

取EI19臥式骨架（高度≤13 mm），先用0.12 mm漆包線繞230匝（5層），層間絕緣采用1×0.06聚酯膠帶，組外絕緣采用3×0.06聚酯膠帶；再用0.4 mm漆包線雙線并繞10匝（2層），繞組端空1.5 mm，組外絕緣采用3×0.06聚酯膠帶；繞組出線焊接在對應的骨架插針上。

（2）整件裝配

取氣隙為=0.03 cm的EI19（R2KB）磁芯，裝入以上繞制的線圈中，用絕緣膠帶包固，磁芯與骨架間隙內插入環氧板襯墊加以緊固。

2.3.1.2 修改完善

取上述制作的高壓反激變壓器裝入線路印制板中進入調試階段，根據調試反饋的數據信息處理分析，對變壓器參數進行如下3點修正：

（1）依據電路在實際工作過程中的占空情況，給變壓器選取合適的工作點。將電磁參數設計中匝數比N=23修正為N=20；

（2）依據電路在實際工作過程中的負載特性及變壓器溫升情況，j=3A/mm2的取值修正為j=4A/mm2，d1=2×0.4 mm修正為d1=2×0.3 mm；

（3）依據以上兩點修正，將電磁參數設計中Lg=0.03（cm）修正為Lg=0.024（cm）；

通過以上參數修正并進行測試驗證，電路效率及器件溫升都得到優化。變壓器設計確定結論見以下5點。

（1）磁芯

采用鐵氧體（R2KB）EI19功率磁芯（Lg=0.024 cm），配臥式骨架（高度≤13 mm）。

（2）繞組配置

一組初級和一組次級，采用先繞制次級繞組再繞制初級繞組的工藝方式。

（3）絕緣結構

采用B級絕緣。層間絕緣采用1×0.06聚酯膠帶，組外絕緣采用3×0.06聚酯膠帶，繞組端空1.5 mm，變壓器整件采用絕緣漆烘浸。

（4）繞組參數

初級繞組0.3mm漆包線雙線并繞10匝，繞1層；次級繞組0.12 mm漆包線繞200匝，繞4層；

（5）整件裝配

磁芯裝入已繞制線圈的骨架中，用5×0.06聚酯膠帶包固，磁芯與骨架間隙內插入環氧板襯墊加以緊固。

2.3.2 變壓器電氣測試

根據上述步驟制作出高壓反激變壓器正樣，并對整件進行電氣測試，測試結果如表1所示。

表1 高壓反激變壓器電氣測試

3 高壓電源測試驗證

根據上述設計思想制作出的高壓電源[5]，在輸入電壓9～32 V內可以實現穩定的高壓輸出[6]；輸出電壓高達300 V，輸出功率達到5 W，滿足預/后選器等需要用到高壓電源來導通/關斷高壓開關所用。當輸入電壓低于8 V時，高壓電源不工作，達到欠壓保護的作用。高壓電源指標測試如表2所示。

表2 高壓電源指標測試

高壓電源采用升壓型電源管理芯片和高壓變壓器[5]單端反激式工作模式相結合的方法實現，做到了小而輕的特點，根據電磁兼容性[7]需求，高壓電源用金屬外殼封裝（60 mm×32 mm×22 mm），如圖3所示。

圖3 高壓電源示意圖

4 結 論

本文對高壓電源的工作原理和高壓變壓器的設計進行了詳細的介紹，根據技術方案和技術指標要求設計和實現了一款穩定輸出的高壓低紋波輸出電源[8]。

該高壓電源所需器件為普通的電阻、電容和開關管等，經濟成本比較低，性價比比較高。該電路輸入范圍寬、電路轉換效率高、功能多，高壓輸出穩定可靠，只要根據電子設備工作要求選用不同參數的電壓反饋網絡、開關管和設計不同的高壓變壓器等，可以滿足不同輸入、不同輸出和不同輸出功率的高壓輸出。