咖啡机用原边反馈电源设计开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景：

随着人们对生活品质的追求和消费类电子产品的快速发展，咖啡机逐渐占据了商场、校园、写字楼的各个角落，咖啡也从消费需求转变为社交需求，渗透人们的生活，中国对咖啡文化的认可带来了咖啡消费市场的快速增长。目前，中国咖啡市场的消费年增长率大于15%，在2017年消费金额就已经超过了一千亿人民币，小型化的咖啡机也走进千家万户，咖啡机生产企业迎来了新的商机。中国咖啡机市场迎来了国内外咖啡机厂商的竞争，不仅聚集了德龙、smeg、西门子、飞利浦等欧美品牌，还有小米心想、美侬、九阳 等中国本土品牌在积极布局。面对着快速膨胀的咖啡机市场，咖啡机配套的电子配件也迎来了新的增长，咖啡机也朝着小型化、自动化方向前进，开关电源能够为咖啡机提供工作所需的电能，尽可能地提高咖啡机供电模块的转换效率,减小功耗,并且能够在较宽电压变化下提供稳定电压输出，本文基于原边反馈，设计了一款ac-dc电路，与传统依靠光耦反馈的ac-dc适配器相比，基于原边反馈技术的咖啡机开关电源适配器不需要副边线圈的反馈控制回路，从而节省了应用系统的体积与成本，同时具有制作调试方便的优点。因此，对原边反馈技术的ac-dc适配器的研究具有重要意义。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：

(1)原边反馈与副边反馈

副边反馈AC/DC开关电源结构如图1所示，主要由PWM控制器、开关管、变压器和馈电路4大部分组成。输入的交流信号经过整流滤波，到达变压器端，通过变压器线圈的作用实现能量的传递，能量从初级线圈传递到次级线圈，最后通过输出滤波电路，形成了稳定的DC信号。并从次级电路采样输出信号反馈到光电耦合器和精密稳压源TL431,通过这个反馈信号来控制开关管。通过PWMGenerator产生的脉冲信号来改变开关管的占空比，从而达到稳定输出电压的目的。

副边反馈AC-DC开关电源的反馈速度较快，控制精度高。因此要求电路对反馈回路的影响尽量小。但是，由于光电耦合器中的使用的发光二极管和光敏二极管之间容易产生干扰，对系统工作的正常工作构成了一-定的威胁。因此，要求对于初、次级电路之间具有良好的安全隔离性。性价比是限制光电耦合器发展的一个重要方面，隔离性能越好，价格越高。

原边反馈准谐振模式AC/DC电路电路接入交流电,通过全桥整流和滤波电容得到，粗糙的高直流电压VIN,该线电压VIN通过启动电阻R (单位为MΩ),给电容C充电，在芯片电源电压VDD达到启动电压之前，芯片内部的欠压锁定模块一直 处于工作状态，使得芯片内部其他模开关导通。当开关导通后，原边线圈上的电流近似线性上升(忽略开关管漏源压降及检测电阻上的压降)，由于次边整理二极管DI和辅助绕组整流二极管D2反向偏置，使得在开关管导通时次边和辅助绕组回路断开，从而能量在开关管导通时存储在原边线圈内。随着原边线圈上电流的增加，检测电阻上的电压(CS端口电压)也线性增大，当其达到预设的峰值电压时，AC-DC变换器会关断功率开关管。当开关管断开时，变压器极性反转，D1和D2正向导通，从而存储在原边线圈上的能量传递给次边线圈，次边线圈将部分能量传递给负载，同时给输出电容进行充电，以弥补其在单独给负载提供能量时所消耗的电荷。在开关管断开时，输出端的电压通过次级线圈和辅助绕组的匝数比耦合到辅助绕组上，并通过电阻分压网络(R1和R2构成)将该信号传递给AC-DC变换器芯片，控制芯片通过对输出电压的采样信号调节开关管的占空比，进而控制每个周期变压器存储和传递的能量，最终实现恒定电压或电流输出。

原边反馈：原边反馈变换器引入同名端与次边电感线圈相同的辅助电感线圈，辅助线圈的一端通过分压电阻得到能反映输出电压变化情况的反馈电压，并以此作为芯片产生功率管的开关控制信号。在次边电感线圈导通阶段，辅助线圈采样输出电压的变化，从而控制功率管的导通截止状态以调整输出电压。

副边反馈：采用了反激式，输入的AC交流信号经过整流滤波，到达变压器端,通过变压器线圈的作用实现能量的传递，能量从初级线圈传递到次级线圈，最后通过输出滤波电路，形成了稳定的DC信号。并从次级电路采样输出信号反馈到光电耦合器和精密稳压源,通过这个反馈信号来控制开关管。最后通过PWM控制器调节开关管的导通时间，实现调节占空比，从而稳定输出电压。

(2)正激式与反激式变换器

正激式变换器有两个开关节点，分别分布在变压器的两边，一个是开关管M1的漏端，另一个是二极管D1的阳极。

开关管导通时，交流输入整流电压Vin加在变压器原边绕组上，电压加在次边绕组上，此时电压使输出二极管反向，而无法导通。所以，当原边绕组导通时，次边绕组无电流流过，变压器储存能量。开关管关断时，储存的能量需要释放。为保持变压器原有的电流方向，次边绕组上的电压反转，输出二极管导通，释放能量。这种变压器原边绕组和次边绕组不同时导通,原边导通时变压器储存能量，而在原边关断时次边导通，将能量输送到输出端的激励方式成为反激式。

(3)调制模式

根据调制模式的不同开关电源可分为脉冲宽度调制（PWM） 模式， 脉冲频率调制（PFM）模式，混合调制模式。

PWM开关电源是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。从输出端反馈的电压FB，经采样保持电路与基准电压一同送入误差放大器，产生的误差电压经放大后与锯齿波振荡器进行比较，最终产生占空比可变的方波传至驱动管的栅极以完成系统中的开关作用，工作过程中振荡器连续工作不停振。

PFM（脉冲频率调制）是调制信号的频率随输入信号幅值而变化，其占空比不变。脉冲频率调制的信号通常为频率变化的方波信号。与PWM不同的是误差放大器的输出电压与振荡器信号一同送入压控频率产生电路，控制振荡器的振与不振， 最终控制功率 NMOS的导通和截止。在整个工作过程中，振荡器并不是时刻都在工作。

混合调制模式就是含有这两种调制方式，当输出轻载时，内部电路选择PFM脉冲频率;当输出负载较大时，切换至PWM脉宽调制模式工作。所以混合调制模式中NMOS的开关频率和脉冲宽度均可调节，是两种调制方式的组合，集PFM和PWM模式的优点于一体。PWM是脉冲宽和窄的变化，PFM是频率大小的变化。前者是利用波脉冲宽度控制输出，后者是利用脉冲频率大小控制输出。PWM与PFM模式相比，具有纹波小、负载能力强及效率高等特点，但电路结构较PFM复杂，静态电流、空载输入电流等参数值相对较大，相应成本也较高。混合调制模式集PFM和PWM模式的优点于一体，电路较为复杂。

(4)控制方式

根据控制环路的不同开关电源可分为电压控制模式和电流控制模式。

1.电压控制模式

早期的电源管理采用的都是电压控制模式，只对输出电压进行反馈，所以结构相对简单,芯片电路易于实现，体积也相对较小。因为负载变化或输入电压变化时，输出电压的响应比较慢，而反馈又需要从输出电压获取，所以电压控制模式开关电源响应速度非常慢，不能及时发现负载、输入电压、内部异常等问题并及时作出调整，这很大程度上造成输出的不准确,甚至在大信号突变时造成损坏整个电路的严重影响，这已不能满足我们对开关电源性能的要求，更不适用于小功率器件。

2.电流控制模式

电流控制模式并非只进行输出电流的反馈，而是电流反馈和电压反馈共同作用，实现高精度恒压恒流输出。其中的电压反馈与电压控制模式类似，也是从输出端经电阻分压获得反馈电压送入控制芯片(在原边反馈中，是从辅助绕组获得与输出电压成比例的辅助电压，在进行电阻分压)，与基准电压进行比较控制。电流反馈有两种方式，一种是对原边电流的平均值进行检测，送入控制芯片，另一种是通过检测原边峰值电流实现电流反馈。因原边平均电流检测电路复杂，现在多用原边峰值电流检测。首先，根据变压器原理，原边绕组的电流与次边绕组的电流比是对应匝数的反比，所以检测原边电流和次边电流是一样的;再者，原边电流易于检测，且响应速度快，检测更加准确。现在多数电流控制模式开关电源都采用原边峰值电流检测。

简言之电压控制模式只有FB一个反馈端口，而电流控制模式除了有FB电压反馈端口,还有CS峰值电流检测端口，两者同时控制功率开关管的打开与关断频率及时间，更好达到输出稳压，现在的AC/DC转换器多用电流控制模式。

预期目标：

本课题是完成基于ME8929的咖啡机开关电源设计，技术指标如表1:

表1咖啡机用原边反馈电源设计

（1）完成电路分析，用multism和cadence对电路进行仿真和优化，使得电路结构正确，绘制电路图。

（2）查阅资料，学习分析不同电路模块作用。

（3）完成器件参数的分析、计算和选择。

（4）焊接电路，测试、分析和优化达到设计指标。

3. 研究的方法与步骤

研究方法

1.了解基于原边反馈的ac/dc电源构造，研究电阻、电容、电感对电路的优化作用。

2.选用了me8329芯片，该芯片是一款满足六级能效标准原边反馈准谐振模式的小功率ac/dc电源控制芯片。内部集成了650v/4a 的高压功率 mos 管，最大功率 18w，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。该芯片集成了诸多保护功能，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，内置前沿消隐，vdd 电压钳位保护，过温保护等。

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）2月25日~3月10日：收集资料，熟悉基本知识，掌握毕设基本设计原理。

（2）3月11日~3月20日：把握整体方案，深入研究设计原理，撰写开题报告。

（3）3月21日~4月30日：巩固计方法，开展各个功能模块具体设计，完成毕设初步设计。