高频变压器的简单设计

 本帖最后由 打倒地主 于 2014-1-6 22:12 编辑

       这几天一直在学开关电源设计，找了很多资料，其中有《变压器与电感器的设计与制作》，粗略的看了一遍，设计需要考虑的内容太多，设计步骤复杂，如上图所示，多达二三十步，实非短时间可以学会。因此，我根据我的设想，利用能量守恒定律推导了一些变压器设计的步骤，未经实践论证，是否可用还是未知。不过，根据推导出的各项参数又实在可行，因此，在此发帖，以求各路朋友指导。
       在此感谢骚金和成生不遗余力的嘲讽，给了我学习电子的动力。


第一步：列出变压器的设计需求

输出功率：300W。
输出电压：30V.
根据公式：P=UI可求出输出电流：10A。
变压器转换效率：90%。

则输入功率可得：333.3W，在此，我们设为400W。
一般输入电压为 AC：220V。 设整流后输入电压为：DC 300V。
可求得输入电流 I 为 1.3A左右，取值1.5A。

我们求得的电流和电压均为正弦波输入，我们不考虑他们的有效值是多少，只按波峰最大值计算，以求得最稳定的参数。不惜成本的DIY。
占空比为最大占空比50%（实际设计是不易使用最大占空比的，需要比50%小点，这里还是弘扬不惜成本的精神），开关频率设为 f=40KHz,可得单个波形的时间 t=1/f.

好了，根据能量守恒定律

我们这里计算单个输入输出波形时间的能量。

初级线圈输入能量=Pt=铜线热损（初级线圈）+磁芯热损+磁场能量
次级线圈输出能量=Pt=铜线热损（次级线圈）+磁芯热损+Pt(输出功率*t)

铜线热损=Pt=I*I*R*t，我们设初级铜线热损功率为输入功率的5%，15W，我们的电流是1.5A，可得铜线电阻10欧姆，这显然是不正确的，铜线电阻没有这么大，说明铜线上的热损很小，大部分热损都在磁芯上。
磁芯热损=Pt=U*U*t/R，可知，输入电压是一定的，则磁芯上感应出的电压也是定值，因此，我们只要选取内阻越大的磁芯，磁芯热损就越小。

我们选取的输入电压和输入电流都为最大恒定值，因此初级线圈（即初级电感）上电压U=LI/t,可得磁场能量E=Pt=UIt=LI*I,
即，磁场能量功率P=L*I*I/t=L*I*I*f. 因此，给定开关频率f和输入电流I的情况下，电感L越大，磁场能量功率越大。
我们设磁场能量功率为400W（理想值），的L*1.5*1.5*40*10e3=400,求得电感L=4.4*10e-3H=4.4mH.

电感计算公式：    L=μ×Ae*N*N/ l·进行分析。L表示电感量、μ表示磁心的磁导率、Ae表示磁心的截面积、N表示线圈的匝数、lm表示磁心的磁路长度。

我们设磁导率 μ=800 × 10-6 H/m（一般的铁氧体磁芯磁导率），磁芯截面积 Ae=0.005,磁路长度 lm=0.1,可求得初级线圈匝数 N=56左右。这里推导的时候也许是错的，因为我没有经验，磁芯面积和磁路长度不知道是否取值正确。
根据输入输出电压算出匝比为10:1.算出次级匝数，参数适当放大。

线圈电阻我们设为 0.01欧姆，则根据公式，R=pl/s,求出所需线径。大概是2mm.

到目前为止，推导完毕，能量守恒方面的推导应该是正确的，只是不知道还漏算了哪些东西。