原边反馈准谐振电源系统设计开题报告

1. 研究目的与意义

1.1研究背景：

本次课题主要是设计一种咖啡机的电源系统。

作为世界三大饮品之一的咖啡，其中香味是咖啡品质的证明，而咖啡的种类如果细分的也是比较多种，白咖啡、拿铁、美式、卡布奇诺、摩卡、速溶咖啡等，也许对于很多人来讲，咖啡和巧克力是同样重要的饮品。为了满足各种人群的对于咖啡的不同需求，并且要求在现代生活节奏下快速的喝到咖啡，咖啡机成为了人们的理想选择，并且应用在各种场合，例如家庭，公司……常见的咖啡机的类型如下1.半自动咖啡机2.全自动咖啡机还有其他咖啡机，特别是全自动咖啡机，人们把新型电子技术运用到咖啡机上，完成了预热、清洗、磨粉、压粉、冲泡等酿造咖啡全过程的自动操控，由此发明了全自动咖啡机。高质量的全自动咖啡机依照最科学的数据和程序来酿造咖啡，自身携带完善的维护体系，操作运用达到全电子阶段。全自动咖啡机本质上是一个简易的自动控制系统，包含：mcu，传感器，阀门，电机控制等各种自动控制所需要的的部件。这些部件都要求使用电源。在很多电子设备中，一个优良的电源系统对提升咖啡机的性能和可靠性非常重要。

2. 研究内容和预期目标

2.1研究内容

本课题的设计的目的是基于me8929的咖啡机电源系统设计，经过考虑采用了开关电源结构。

开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。

调宽式开关稳压电源的基本原理可参见图一。

图一调宽式开关稳压电源的基本原理

对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压Ｕ。可由公式计算，

即Uo=Um×T1/T

式中Um为矩形脉冲最大电压值；T为矩形脉冲周期；T1为矩形脉冲宽度。

从上式可以看出，当Um与T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。

二、开关式稳压电源的原理电路

1、基本电路

图二开关式稳压电源的基本电路框图

开关式稳压电源的基本电路框图如图二所示。

交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。

２、单端反激式开关电源

单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电容Ｃ滤波后向负载输出。

图三单端反激式开关电源的典型电路

单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20－100Ｗ，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。

单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20－200kHz之间。

３、单端正激式开关电源

单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时，VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感Ｌ储存能量；当开关管VT1截止时，电感Ｌ通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

图四单端正激式开关电源的典型电路

在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于５０％。由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50－200Ｗ的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。

４、自激式开关稳压电源

自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。

图五自激式开关稳压电源的典型电路

当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2中感应出使VT1基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1很快饱和。与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic开始减小，在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压，使VT1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器Ｔ初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器Ｔ的次级绕组向负载输出所需要的电压。

自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。

５、推挽式开关电源

推挽式开关电源的典型电路如图六所示。它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器Ｔ次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。

图六推挽式开关电源

这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100-500Ｗ范围内。

６、降压式开关电源

降压式开关电源的典型电路如图七所示。当开关管VT1导通时，二极管VD1截止，输人的整流电压经VT1和L向Ｃ充电，这一电流使电感Ｌ中的储能增加。当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感Ｌ中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

图七降压式开关电源

这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

７、升压式开关电源

升压式开关电源的稳压电路如图八所示。当开关管VT1导通时，电感Ｌ储存能量。当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。

图八升压式开关电源

８、反转式开关电源

反转式开关电源的典型电路如图九所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。

图九反转式开关电源

当开关管VT1导通时，电感L储存能量，二极管VD1截止，负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时，电感Ｌ中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容Ｃ充电。

经过比较，单端反激式开关电源成本低，最合适采用在咖啡机的电源系统中。

ME8329芯片介绍：

ME8329 是一款原边反馈准谐振模式的AC/DC 电源控制芯片，内部集成了 650V 的高压功率 MOS 管，用于充电器，适配器和 LED 驱动领域。实现±5%的恒压恒流精度和小于 60mW 的待机功耗。在恒压模式下内置了线电压补偿功能。采用准谐振控制，实现高效率和良好的 EMI 性能，满足六级能效标准要求。

启动

ME8329 的启动电流非常低，所以 VDD 端电容电压可以很快充至开启电压。启动电路中可以使用一个大阻值的电阻，在满足启动要求的同时，减小工作时的损耗。

工作电流

ME8329 的工作电流低至 1mA(典型值)，所以 VDD 启动电容可以取更小值，同时可以提高系统转换效率。

原边准谐振控制

ME8329 采用原边反馈准谐振工作模式，大大降低系统成本，实现高效率和良好的 EMI 性能。芯片在恒压和恒流工作时，采用谷底导通，减小开关损耗，最大限度利用占空比，极大的提高了系统效率，满足六级能效标准要求。

恒流控制

ME8329 具有精确的恒流/恒压控制能力，电池充电器应用中通常具有两种运作模式，恒压充电和恒流充电。当电池电压过低时，充电器是恒流充电，这是对电池充电的最主要的方式，大部分的能量进入电池。当电池电压达到电池饱和电压时，充电电流逐渐变小，充电器进入恒压模式。最后，充电电流继续减小直到达到 0。工作在恒流模式下：

其中：ICC 为系统输出端的输出电流。RCS 为 CS 与 GND 之间的电阻。N 为变压器初级和次级线圈的匝数比。

恒压控制

ME8329 的 INV 通过电阻Ra 和Rb 的分压检测辅助绕组反馈电压，INV 电压与参考电压间的差值通过误差放大 器放大来控制开关信号的频率。为了提高输出电压的精确度，变压器的漏感应尽可能的降低。输出电压可由下式得出：

其中：Ra 和 Rb 为顶端和低端反馈电阻值。

NS和NA 为变压器次级和辅助线圈的匝数。

ΔV表示输出整流二极管的压降

电流检测和前沿消隐

ME8329 提供了逐周期电流限制，功率管电流由连接在 CS 脚上的取样电阻检测。在功率开关导通时，采样电阻上会出现开启尖峰，为避免由开启尖峰所引起的误操作，在 CS 脚上设置有 500nS 的前沿消隐时间，因此 CS 脚的外部无需 RC 滤波网络。

输出线压降补偿

常规芯片在恒压模式下，通过改变功率管导通时间来调节反馈电压，其不包括在电线上的压降。这样导致了由于采用不同规格不同长度的电线，会产生不同的输出电压。ME8329 内建了线压降补偿电路，以此取得更好的负载调整率。ME8329 具有线损补偿功能，可补偿输出电压在电线上的压降。通过内置电流流入电阻分压器在 INV 脚位产生补偿电压。随着转换器负载从空载增大至峰值功率点（恒压与恒流之间的切换点），将通过增大反馈引脚参考电压对输出电缆上的压降进行补偿。控制器根据状态调节器的输出来决定输出负载以及相应补偿的程度。最大补偿比例可由下式得出

其中，ΔV 是补偿电压，VOUT 是输出电压，Ra 和 Rb 为与 INV 脚相连的分压电阻。

控制保护

ME8329 集成了完善的保护功能，包括 VDD 欠压保护(UVLO)，VDD 过压保护，软启动，逐周期过流保护，所有管脚浮空保护，VDD 电压钳位保护，过温保护等等。

2.2预期目标：

本课题需要先完成电路分析，用电路进行仿真和优化，使得电路结构正确，绘制电路图。器件参数的分析、计算和选择。然后进行微小化PCB设计，需要达到设计指标，绘制电路板。最后焊接完成微模块，测试、分析和优化达到设计指标。

3. 研究的方法与步骤

3.1本课题拟采用的研究方法:

对开关电源的主电路和控制回路进行设计:

1.在主电路的输入回路中整流电路采用单相桥式整流,其中还设计了低通滤波电路、整流滤波电路和其他形式的滤波电路。

4. 参考文献

[1] 孙树朴，郑征等.电子电子技术.徐州：中国矿业大学出版社.2000

[2] 周志敏，周纪海.开关电源实用技术－设计与应用.北京：人民邮电出版社.2003

[3] 杨 旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术.北京：机械工业出版社.2003

5. 计划与进度安排

1周~4周 翻译和文献调研

5周~12周 设计与仿真

13周~16周 毕业论文