全國大學生電子設計競賽電源類歷屆賽題分析

12/122013電子設計競賽“電源類”賽題分析1.歷屆的“電源類”賽題在10屆電子設計競賽中，電源類賽題有8題[1]①簡易數控直流電源（1994年A題）②直流穩(wěn)壓電源（1997年A題）③數控直流電流源（2005年F題）④三相正弦波變頻電源（2005年G題）⑤開關穩(wěn)壓電源（2007年E題）[本科組]⑥光伏并網發(fā)電模擬裝置（2009年A題）[本科組]⑦電能搜集充電器（2009年E題）[本科組]⑧開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（2011年A題）[本科組]比較歷屆賽題可以看到，“電源類”賽題從DC→AC，從單個電源到多個電源并聯(lián)，而且設計要越來越高（例如，精度、效率（≥80%）等）。例如：2005年G題“三相正弦波變頻電源”賽題要求[1]（1）輸出頻率圍為20Hz～100Hz的三相對稱交流電，各相電壓有效值之差小于0.5V；（2）當輸入電壓為198V～242V，負載電流有效值為0.5～3A時，輸出線電壓有效值應保持在36V，誤差的絕對值小于1%；（3）設計制作具有測量、顯示該變頻電源輸出電壓、電流、頻率和功率的電路，測量誤差的絕對值小于5%；（4）變頻電源輸出頻率在50Hz以上時，輸出相電壓的失真度小于5%；（5）具有過流保護(輸出電流有效值達3.6A時動作)、負載缺相保護與負載不對稱保護(三相電流中任意兩相電流之差大于0.5A時動作)功能，保護時自動切斷輸入交流電源。2009年A題[本科組]“光伏并網發(fā)電模擬裝置”賽題要求[1]（1）具有最大功率點跟蹤（MPPT）功能：RS和RL在給定圍變化時，使，相對偏差的絕對值不大于1%。（2）具有頻率跟蹤功能：當fREF在給定圍變化時，使uF的頻率fF=fREF，相對偏差絕對值不大于1%。（3）DC-AC變換器的效率，使≥80%（RS=RL=30Ω時）。（4）具有輸入欠壓保護功能，具有輸出過流保護功能。2011年A題[本科組]“開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)”賽題要求[1]:賽題要求設計并制作一個由兩個額定輸出功率均為16W的8VDC/DC模塊構成的并聯(lián)供電系統(tǒng)。（1）調整負載電阻至額定輸出功率工作狀態(tài)，供電系統(tǒng)的直流輸出電壓UO=8.0±0.4V，使負載電流IO在1.5~3.5A之間變化時，兩個模塊的輸出電流可在（0.5~2.0）圍按指定的比例自動分配，每個模塊的輸出電流相對誤差的絕對值不大于2%。（2）額定輸出功率工作狀態(tài)下，供電系統(tǒng)的效率不低于60%。（3）調整負載電阻，保持輸出電壓UO=8.0±0.4V，使兩個模塊輸出電流之和IO=4.0A且按I1:I2=1:1模式自動分配電流，每個模塊的輸出電流的相對誤差絕對值不大于2（4）調整負載電阻，保持輸出電壓UO=8.0±0.4V，使兩個模塊輸出電流之和IO=1.5A且按I1:I2=1:2模式自動分配電流，每個模塊輸出電流的相對誤差絕對值不大于5%。（5）具有負載短路保護與自動恢復功能，保護閾值電流為4.5A（調試時允許有±0.2A的偏差）。南華大學黃智偉備戰(zhàn)2013電子設計競賽“電源類”賽題分析2.歷屆的“電源類”賽題設計要求和設計方案一2.1簡易數控直流電源（1994年A題）2.1.1簡易數控直流電源賽題要求[1]賽題要求設計出有一定輸出電壓圍和功能的數控電源（1）基本要求a.輸出電壓：圍0～＋9.9V，步進0.1V，紋波不大于10mV；b.輸出電流：500mA；c.輸出電壓值由數碼管顯示；d.由“＋”、“－”兩鍵分別控制輸出電壓步進增減；e.為實現(xiàn)上述幾部件工作，自制一穩(wěn)壓直流電源，輸出±15V，＋5V。（2）發(fā)揮部分a.輸出電壓可預置在0～9.9V之間的任意一個值；b.用自動掃描代替人工按鍵，實現(xiàn)輸出電壓變化（步進0.1V不變）；c.擴展輸出電壓種類（比如三角波等）。2.1.2簡易數控直流電源系統(tǒng)設計方案[2,9~14]采用單片機作為控制器的簡易數控直流電源設計方案如下所示：設計方案中采用AT89S52單片機完成系統(tǒng)的數控功能；采用8279作為鍵盤／顯示器接口控制器，可簡化接口引線，減少軟件對鍵盤／顯示器的查詢時間，提高AT89S52單片機的利用率；輸出部分采用DAC0832與運算放大器OP077，OP077輸出電壓波形與D／A變換輸出波形一樣，可以輸出直流電平，和根據預先生成波形的量化數據產生多種波形輸出；顯示部分采用MXA136組成的三位半的數字電壓表（DVM）直接顯示輸出電壓值，一旦系統(tǒng)工作異常，出現(xiàn)預置值與輸出值偏差過大，用戶可根據該信息予以處理。采用帶有ADC和DAC的微控制器系統(tǒng)（如STM32）系統(tǒng)結構會更簡單。功率輸出電路由運算放大器LF356和達林頓管TIP122與TIP127組成，LF356和達林頓管TIP122與TIP127構成閉環(huán)推挽輸出電路形式，推挽功率放大器可以保證輸出電壓較好地跟蹤D/A變換的輸出。過流保護電路由晶體管9015和9014組成，過流保護電路還采用了一個聲音報警電路，當過流時產生聲音報警。輸出電壓顯示采用MAX136組成的數字電壓表，MAX136的引腳端封裝形式和MAX136構成的數字電壓表電路如圖1.4.20所示。單片機顯示器可以顯示設置的電壓值，數字電壓表顯示器顯示實際測量的電壓值。電路正常工作時兩者應相差很小。直流穩(wěn)壓電源電路采用三端穩(wěn)壓器芯片MC7815/7915和MC7805構成。南華大學黃智偉備戰(zhàn)2013電子設計競賽“電源類”賽題分析2.歷屆的“電源類”賽題設計要求和設計方案二2.2直流穩(wěn)壓電源（1997年A題）2.2.1直流穩(wěn)定電源系統(tǒng)賽題要求[1]賽題要求設計并制作交流變換為直流的穩(wěn)定電源。（1）基本要求①穩(wěn)壓電源在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化圍＋15%～－20%條件下：a．輸出電壓可調圍為+9V～+12V；b．最大輸出電流為1.5A；c．電壓調整率≤0.2%（輸入電壓220V變化圍＋15%～－20%下，空載到滿載）；d．負載調整率≤1%（最低輸入電壓下，滿載）；e．紋波電壓（峰-峰值）≤5mV（最低輸入電壓下，滿載）；f．效率≥40%（輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿載）；g．具有過流與短路保護功能。②穩(wěn)流電源在輸入電壓固定為＋12V的條件下：輸出電流：4～20mA可調；b．負載調整率≤1%（輸入電壓＋12V、負載電阻由200Ω～300Ω變化時，輸出電流為20mA時的相對變化率）。

③DC-DC變換器在輸入電壓為+9V～+12V條件下：輸出電壓為+100V，輸出電流為10mA；電壓調整率≤1%（輸入電壓變化圍+9V～+12V）；負載調整率≤1%（輸入電壓+12V下，空載到滿載）；紋波電壓（峰-峰值）≤100mV（輸入電壓+9V下，滿載）。（2）發(fā)揮部分①擴充功能排除短路故障后，自動恢復為正常狀態(tài)；過熱保護；防止開、關機時產生的“過沖”。②提高穩(wěn)壓電源的技術指標提高電壓調整率和負載調整率；擴大輸出電壓調節(jié)圍和提高最大輸出電流值。③改善DC-DC變換器提高效率（在100V、100mA下）；提高輸出電壓。④用數字顯示輸出電壓和輸出電流2.2.2直流穩(wěn)定電源系統(tǒng)設計方案[2,9~14]所設計的直流穩(wěn)定電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓電源、穩(wěn)流電源、DC-DC變換器和顯示模塊四個模塊電路構成。穩(wěn)壓電源采用兩級穩(wěn)壓電路，前級為DC-DC開關穩(wěn)壓電源，后級為線性穩(wěn)壓電路。為進一步提高效率，兩級間采用了恒壓差控制技術。穩(wěn)流電路采用由運算放大器構成的恒流源電路，或者利用3端穩(wěn)壓器LM317構成的恒流電路。DC-DC變換器采用降壓型開關電源，具有效率高，輸出電壓圍寬，輸出電流大的特點。顯示模塊由7107A/D與顯示譯碼芯片和LED數碼管構成。1.穩(wěn)壓電源電路設計根據賽題要求，在線性穩(wěn)壓電路前端加入一個DC-DC變換器，利用DC-DC變換器來完成從不穩(wěn)定的直流電壓到穩(wěn)定的直流9～12V電壓的轉變。采用脈寬調制技術（PWM）和恒壓差控制技術，使得線性穩(wěn)壓電路兩端壓差減小，電路消耗大幅度下降，以提高電源的效率。其次，使用脈寬調制技術，很容易進行過流、過熱、自?；謴汀４送?，還可在DC-DC變換器中加入軟啟動電路，以抑制開關機時的“過沖”。以TL494芯片為控制核心的單端PWM降壓型開關穩(wěn)壓電路，由TL494芯片、開關管TIP32A、二極管MR850和低通濾波器組成。2.線性穩(wěn)壓電路采用線性穩(wěn)壓電路的目的是在降壓型開關穩(wěn)壓電路的基礎上實現(xiàn)線性高精度穩(wěn)壓，以降低紋波，提高電壓調整率和負載調整率，最終達到設計的指標要求。線性穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓管TL431（2.5V）、比較器、達林頓管MJE3055和電阻反饋網絡組成。3.恒流電路恒流電路可以采用一個由雙運放構成的恒流電路。A1為深反饋同相放大器。A2為電壓跟隨器，將輸出電壓反饋回輸入端。也可以利用LM317集成可調穩(wěn)壓器作為恒流電路，是由于其3端與1端之間存在1.35V固定壓降VZ，流經固定電阻后可產生恒定的電流。4.顯示電路設計顯示電路由數字電壓表芯片+顯示譯碼芯片+LED數碼管構成，各電壓量程或者電流量程（電流測量，通過采樣電阻上的壓降）由撥鈕開關選擇，通過電阻網絡分壓后輸入芯片。本系統(tǒng)使用兩組電路分別顯示電壓和電流值。南華大學黃智偉備戰(zhàn)2013電子設計競賽“電源類”賽題分析2.歷屆的“電源類”賽題設計要求和設計方案三數控直流電流源（2005年F題）數控直流電流源（2005年F題）賽題要求[1]賽題要求設計并制作數控直流電流源。輸入交流200～240V，50Hz；輸出直流電壓≤10V。（1）基本要求（50分）①輸出電流圍：200mA～2000mA；②可設置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值≤給定值的1％+10mA；③具有“+”、“-”步進調整功能，步進≤10mA；④改變負載電阻，輸出電壓在10V以變化時，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的1％+10mA；⑤紋波電流≤2mA；⑥自制電源。（2）發(fā)揮部分（50分）①輸出電流圍為20mA～2000mA，步進1mA；（4分）②設計、制作測量并顯示輸出電流的裝置(可同時或交替顯示電流的給定值和實測值)，測量誤差的絕對值≤測量值的0.1％+3個字；（20分）③改變負載電阻，輸出電壓在10V以變化時，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的0.1％+1mA；（16分）④紋波電流≤0.2mA；（5分）⑤其他。（5分）數控直流電流源（2005年F題）設計方案[5,9~14]賽題要求制作一個數控直流電流源，好的恒流特性是賽題的核心要求，發(fā)揮部分要求制作一個精度優(yōu)于0.1％的電流表。根據賽題要求，系統(tǒng)可分為電流源主電路、控制部分、人機界面（包括鍵盤輸入與顯示）和輔助電源四部分。系統(tǒng)實現(xiàn)方案有：方案一：根據傳統(tǒng)線性恒流源的原理，以集成穩(wěn)壓芯片（如LM338）與數字電位器構成電流源的主體部分，通過單片機改變數字電位器的阻值以實現(xiàn)對恒流源輸出值的調整，并使用數碼管LED顯示其數值。該方案電路結構簡單，容易實現(xiàn)，但由于目前數字電位器分度有限，市場上能找到的最高分度只有10比特，如MAXIM公司的MAX5484，難以實現(xiàn)發(fā)揮部分的功能，此外，由于流過的電流較大，需要并串多個數字電位器才能滿足輸出的電流要求，且系統(tǒng)為開環(huán)控制，穩(wěn)定性差、精度較低。方案二：根據開關電源的原理，經AC/DC/DC變換過程來實現(xiàn)可調穩(wěn)流的功能，主電路由整流濾波電路、斬波電路和恒流電路構成。其工作過程如下：市電經隔離變壓器降壓后，通過整流橋整流，電容器濾波，變成平穩(wěn)的直流電，完成AC/DC的變換過程；通過由FPGA（可編程邏輯器件）產生PWM調制波控制開關管的通斷構成斬波電路，輸出高頻的直流脈沖，經儲能電感平波、電容高頻濾波后，輸出可調的直流電；使用HCPL7870光電隔離A/D轉換芯片（轉換精度達15位）對輸出電流進行采集，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于FPGA的系統(tǒng)時鐘頻率高（一般使用50MHz），且以并行處理數據，所以該方案可靠性高、編程容易。但經仔細分析后發(fā)現(xiàn)，該方案由如下幾個缺點：①系統(tǒng)成本較高；②由于使用的是離散數字PWM調制方式，當FPGA芯片使用50MHz的系統(tǒng)時鐘時，若PWM的占空比要實現(xiàn)2000個分度時，PWM的最大頻率只能達到25KHz，根據輸出電流的紋波與輸出的頻率成反比的規(guī)律，在25KHz頻帶圍，輸出電流紋波較大，給后級的穩(wěn)流濾波電路帶來困難，影響輸出的電流指標難以達到發(fā)揮部分的要求；（3）采用的是離散的數字信號反饋控制，對數字信號的量化精度要求較高。方案三：按照方案二AC/DC/DC的設計思路，再在斬波電路的前級增加一級穩(wěn)壓電路，使用集成穩(wěn)壓器來降低電網波動對斬波電路的影響。控制部分選用單片機與專用的PWM調制芯片相結合的方式，來控制MOSFET開關管的導通。其輸出電流的大小通過隔離型電流傳感器轉換成對應的模擬信號。并將這一模擬量分為兩路，一路直接反饋到PWM集成芯片的反饋輸入端，構成連續(xù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)；另一路經模數轉換芯片變成數字信號傳送給單片機處理，作為輔助的調節(jié)反饋量，使用軟件算法來修正給定量，減小穩(wěn)態(tài)誤差。方案三與前面的方案相比，具有以下特點：①是系統(tǒng)為雙環(huán)控制系統(tǒng)，動態(tài)響應快、超調量和穩(wěn)態(tài)誤差小；②是成本較低、技術成熟；③是軟硬件相結合，可靠性高、功能全、擴展余地大，理論上可以達到設計題目的所有性能指標。數控直流電流源主要單元器件的選擇：①開關管選擇P溝道的MOSFETIRF5210其通斷電流為20A，開關頻率可達1MHz，通態(tài)電阻Rds=0.06Ω，能滿足設計要求。②PWM芯片選擇SG3525。SG3525具有欠壓保護和外部封鎖功能，能方便實現(xiàn)過壓過流保護，能輸出兩路波形一致、相位差為180°的PWM信號，結合雙MOSFET管斬波電路的獨特設計，能有效的減少輸出電流的紋波。③電流傳感器的選擇：一是使用電量測量中常用的磁補償式電流傳感器，此種器件在mA級小電流檢測時由于受漏磁等因素的影響，非線性失真明顯。難以保證對mA級小電量的準確測量。且該類器件價格較昂貴。二是使用線性光電耦合器，如線性光電耦合器HCNR200，HCNR200輸出電流IPD2與LED發(fā)出的伺服光通量成線性比例，且其非線性度為0.01%，傳輸增益為100±15%；溫度增益系數-65ppm/℃，帶寬大于1MHz，耐壓為直流1000V。具有精度較高、轉換速度快、穩(wěn)定性好的特點，能達到系統(tǒng)的設計要求。④A/D和D/A芯片的選擇：考慮到單片機的I/O接口資源。選用串行數據傳送方式的ADS7841和DAC7512兩款芯片轉換精度均為12位的集成芯片，其量化精度能達到1/4096<1/2000，完全能達到設計的精度要求。⑤微控制器芯片采用ATMEL公司的AT89S8252CMOS8位單片機。⑥人機界面：采用LCD（液晶）顯示。⑦輔助電源選擇：輔助電源主要是為控制部分供電的，由于電流源的主電路有開關管在工作，噪聲干擾大，所以為了確保控制部分的穩(wěn)定性和可靠性，采用與主電路分離的電源電路供電。2.歷屆的“電源類”賽題設計要求和設計方案四2.4三相正弦波變頻電源（2005年G題）2.4.1三相正弦波變頻電源（2005年G題）賽題要求[1]賽題要求設計并制作一個三相正弦波變頻電源，輸出線電壓有效值為36V，最大負載電流有效值為3A，負載為三相對稱阻性負載（Y接法）。（1）基本要求（50分）①輸出頻率圍為20Hz～100Hz的三相對稱交流電，各相電壓有效值之差小于0.5V；②輸出電壓波形應盡量接近正弦波，用示波器觀察無明顯失真；③當輸入電壓為198V～242V，負載電流有效值為0.5～3A時，輸出線電壓有效值應保持在36V，誤差的絕對值小于5%；④具有過流保護(輸出電流有效值達3.6A時動作)、負載缺相保護與負載不對稱保護(三相電流中任意兩相電流之差大于0.5A時動作)功能，保護時自動切斷輸入交流電源。（2）發(fā)揮部分（50分）①當輸入電壓為198V～242V，負載電流有效值為0.5～3A時，輸出線電壓有效值應保持在36V，誤差的絕對值小于1%；（10分）②設計制作具有測量、顯示該變頻電源輸出電壓、電流、頻率和功率的電路，測量誤差的絕對值小于5%；（24分）③變頻電源輸出頻率在50Hz以上時，輸出相電壓的失真度小于5%；（11分）④其他。（5分）2.4.2三相正弦波變頻電源（2005年G題）賽題分析與設計方案例賽題要求設計并制作一個三相正弦波變頻電源，工作原理可以參考電力電子學中有關三相正弦波變頻電源的基本原理，核心的電路是SPWM發(fā)生器和全橋逆變電路。保持輸出線電壓有效值的穩(wěn)定是賽題指標的主要要求（線電壓有效值的誤差的絕對值小于1%）。發(fā)揮部分要求設計制作一個測量誤差小于5%，能夠測量電壓、電流、頻率和功率的電路，有24分。頻率可以根據頻率測量原理，利用系統(tǒng)中微控制器實現(xiàn)。功率的測量需要測量電壓和電流的有效值，簡潔的方法可以采用專用的真有效值轉換芯片實現(xiàn)。（1）采用單片機和FPGA共同控制的三相正弦波變頻電源在一個采用單片機和FPGA共同控制的三相正弦波變頻電源的系統(tǒng)中，控制方式采用單片機和FPGA共同控制的方式，由單片機AT89S52、IR12864—M液晶顯示器、4×4按鍵構成人機界面，單片機控制IR12864—M液晶顯示器、4×4按鍵，并與FPGA的通信。FPGA作為本設計系統(tǒng)的主控器件，采用一塊Xilinx公司生產的Spartan2E系列xc2s100e—6pq208芯片，利用VHDL（超高速硬件描述語言）編程，產生PWM波和SPWM波。同時用FPGA完成采集控制邏輯、顯示控制邏輯，系統(tǒng)控制，信號分析、處理、變換等功能。220V/50Hz的市電，經過一個220V/60V的隔離變壓器，輸出60V的交流電壓，經整流得直流電壓，經斬波得到一個幅度可調的穩(wěn)定直流電壓。斬波電路的IGBT開關器件選用BUP304，BUP304的驅動電路由集成化專用IGBT驅動器EXB841構成，EXB841的PWM驅動輸入信號由FPGA提供，并采用光電隔離。輸出的斬波電壓經逆變得到一系列頻率的三相對稱交流電。逆變電路采用全橋逆變電路，MOSFET橋臂由六個K1358構成，K1358的驅動電路選用IR2111，IR2111的控制信號SPWM由FPGA提供。逆變輸出電壓經過低通濾波，輸出平滑的正弦波，輸出信號分別經電壓、電流檢測，送AD637真有效值轉換芯片，輸出模擬電平，經模數轉換器ADC0809，輸出數據送FPGA處理。送入FPGA的數據經過一系列處理，送顯示電路，顯示輸出電壓、電流、頻率與功率。（2）采用DSP和單片機共同控制的三相正弦波變頻電源采用DSP和單片機共同控制的三相正弦波變頻電源由DSP三相正弦波變頻電源的主電路和單片機的測量系統(tǒng)兩部分組成。在一個采用DSP三相正弦波變頻電源的主電路中，交流電源經過橋式全波整流后進行電容濾波，輸出直流電，作為逆變電路的直流電源。同時也提供一路電源作為系統(tǒng)所需要的直流穩(wěn)壓電源。為保證系統(tǒng)安全性，交流電源入口處串聯(lián)5A保險管。三相SPWM信號由電機控制專用DSP芯片TMS320LF2407生成。首先在DSP中的FLASH中存入512點的正弦表，改變讀取正弦表每兩個點之間的時間間隔，可以改變輸出正弦波的頻率，讀取正弦表兩個點之間時間間隔可以由定時器控制。三相橋式逆變電路可以利用分立元件和集成的智能功率模塊（IPM，例如PM30CSJ060）組成。采用分立元件組成的三相橋式逆變電路，通常需要6個IGBT作為開關器件，以與IGBT的驅動電路。利用部包括有橋式逆變電路和驅動電路的集成智能功率模塊（IPM），其外圍電路簡單，還具有多種保護的功能。在一個采用單片機的測量系統(tǒng)，利用部包含有A/D的單片機（例如PIC18F452等），通過電流傳感器，電壓傳感器對線電壓，線電流進行轉換后，經過調理電路送入A/D，經數模轉換后，單片機對數據進行處理，計算，計算后通過液晶屏顯示所測量結果，并顯示出被測信號的波形。也可以同時實時檢測電流有效值，當電流有效值大于3.6A時，立刻通過I/O口控制過流保護模塊切斷主回路來實現(xiàn)過流保護。2.歷屆的“電源類”賽題設計要求和設計方案五2.5開關穩(wěn)壓電源（2007年E題本科組）2.5.1開關穩(wěn)壓電源（2007年E題）[本科組]賽題要求[1]賽題要求設計并制作一個開關穩(wěn)壓電源。在電阻負載條件下，使電源滿足下述要求：（1）基本要求（50分）①輸出電壓UO可調圍：30V～36V；②最大輸出電流IOmax：2A；③U2從15V變到21V時，電壓調整率SU≤2%（IO=2A）；④IO從0變到2A時，負載調整率SI≤5%（U2=18V）；⑤輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；⑥DC-DC變換器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；⑦具有過流保護功能，動作電流IO（th）=2.5±0.2A。（2）發(fā)揮部分（50分）①進一步提高電壓調整率，使SU≤0.2%（IO=2A）；（10分）②進一步提高負載調整率，使SI≤0.5%（U2=18V）；（10分）③進一步提高效率，使≥85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；（15分）④排除過流故障后，電源能自動恢復為正常狀態(tài)；（4分）⑤能對輸出電壓進行鍵盤設定和步進調整，步進值1V，同時具有輸出電壓、電流的測量和數字顯示功能。（6分）⑥其他。（5分）2.5.2開關穩(wěn)壓電源（2007年E題）[本科組]賽題分析與設計方案例[6,9~14]分析賽題要求，是要制作一個DC-DC升壓型的開關穩(wěn)壓電源，工作原理可以參考電力電子學中有關升壓型DC-DC的基本原理，核心的電路結構是Boost電路。電壓調整率、負載調整率、效率和過流保護是基本部分和發(fā)揮部分共同的要求，但要求效率≥85%，顯然需要對這個系統(tǒng)電路的功耗進行控制。發(fā)揮部分還要求制作一個數字電壓電流表，其他部分可以考慮增加與語音報數、報警等功能。在一個采用單片機與Boost斬波電路的開關穩(wěn)壓電源系統(tǒng)中，系統(tǒng)以Boost斬波電路為核心，以單片機為主控制器和PWM信號發(fā)生器，根據負載反饋信號對PWM信號做出調整，進行可靠的閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。系統(tǒng)輸出直流電壓可以通過鍵盤設定和步進調整，并能對輸入電壓、輸出電壓和輸出電流進行測量和顯示。本系統(tǒng)要求電源整體效率達到85%，電源的額定功率為PO＝36V×2A＝72W，則對應的輸入功率為Pi＝PO/0.85＝84.7W，即允許功耗為12.7W。電路的功耗與開關管的損耗（包括開關損耗和通態(tài)損耗），開關損耗與開關頻率直接相關，通態(tài)損耗為Qon＝I2Ron（Ron為開關管導通電阻）。續(xù)流二極管損耗為QD＝ΔUI（ΔU為二極管導通壓降）。例如選擇IRF3205功率MOSFET，其導通電阻僅為8mΩ；續(xù)流二極管選擇肖特基二極管745，導通壓降為0.7V。使用采樣電阻對輸出電流進行采樣時，采樣電阻的損耗為Qr＝I2r，例如使用0.1Ω的采樣電阻，額定輸出時的損耗為Qr＝（22×0.1）W＝0.4W。單片機可以選用MSP430F449、PIC16F877等低功耗單片機，單片機的功耗與CPU時鐘頻率有關，降低單片機時鐘頻率可使損耗減小。另外還需要考慮測量控制電路的功耗，如信號放大用的運放使用低電源電壓、RailToRai1型的運放也可降低功耗。在Boost斬波電路中，開關的開通和關斷受外部PWM信號控制，電感L將交替地存儲和釋放能量，電感L儲能后使電壓泵升，而電容C可將輸出電壓保持平穩(wěn)，輸出電壓與輸入電壓的關系為UO＝U1（ton＋toff）/toff，通過改變PWM控制信號的占空比可以相應實現(xiàn)輸出電壓的變化。該電路采取直接直流變流的方式實現(xiàn)升壓，電路結構較為簡單，損耗較小，效率較高。為降低開關損耗，工作頻率不宜過高，開關頻率選定為20kHz左右。功率場效應管開關損耗小、工作頻率較高，選取功率場效應管作為Boost斬波電路中開關管。由于流過電感L的電流有很大的直流分量，為了防止電感飽和，電感的磁芯需加氣隙?？紤]系統(tǒng)總功率大于120W，需要選擇大容量的磁芯（如EE42型磁芯）和較大截面積的導線。系統(tǒng)采用單片機產生PWM控制信號。單片機根據取樣電路的反饋對PWM信號做出調整以實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。2.歷屆的“電源類”賽題設計要求和設計方案六2.6光伏并網發(fā)電模擬裝置（2009年A題）[本科組]2.6.1光伏并網發(fā)電模擬裝置（2009年A題）[本科組]賽題要求賽題要求設計并制作一個光伏并網發(fā)電模擬裝置。用直流穩(wěn)壓電源US和電阻RS模擬光伏電池，US=60V，RS=30~36Ω；uREF為模擬電網電壓的正弦參考信號，其峰峰值為2V，頻率fREF為45~55Hz；T為工頻隔離變壓器，變比為n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，將uF作為輸出電流的反饋信號；負載電阻RL=30~36Ω。設計詳細要求與評分標準等請登錄查詢。2.6.2光伏并網發(fā)電模擬裝置（2009年A題）[本科組]設計方案[7,9~14]根據賽題要求，系統(tǒng)MPPT電路采用DC-DC結構，采用雙反饋對模擬光伏電池的阻電壓以與DC-DC的輸出電壓進行采樣反饋。DC-AC部分采用全橋拓撲結構，用STC89C52單片機實現(xiàn)對頻率以與相位的跟蹤。本光伏并網發(fā)電模擬裝置系統(tǒng)主要由DC-DC、DC-AC、并網控制電路和保護電路等部分組成。本光伏并網發(fā)電模擬裝置的DC-DC變換部分用于實現(xiàn)MPPT功能的控制，MPPT控制方式采用雙反饋的形式，同時采樣輸出電壓和模擬光伏電池阻的電壓；逆變部分采用驅動芯片IRF540進行全橋逆變，用自然采樣法完成SPWM的調制；并網部分采用STC89C52單片機處理實現(xiàn)反饋信號頻率和相位的跟蹤以完成并網。反饋部分分為兩級，第一級反饋實現(xiàn)最大功率點跟蹤功能，第二級反饋利用電壓控制模擬電位器使輸出電壓穩(wěn)定，形成了雙重反饋環(huán)節(jié)，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在保護上，具有輸入欠壓、輸出過流和短路保護的功能，增強了該裝置的可靠性和安全性。該裝置基本上完成了各項指標，輸入功率為24.48W，逆變部分效率達到了81.7%。其中：SPWM波的實現(xiàn)可以采用AD9851DDS或者采用自然采樣法實現(xiàn)SPWM波等方法。雖然采用AD9851DDS集成芯片生成SPWM波比較容易，但是編程復雜，成本也較高。自然采樣法是以正弦波為調制波,等腰三角波為載波進行比較,在兩個波形的自然交點時刻控制開關器件的通斷。自然比較法生成的SPWM波經過低通濾波后最接近正弦波，實現(xiàn)起來也不難，并且降低成本。頻率和相位跟蹤功能的實現(xiàn)可以采用單片機或者鎖相環(huán)等方法。采用鎖相環(huán)實現(xiàn)同頻和同相的功能電路結構復雜，調試困難。利用STC89C52單片機同時對uREF和uF的頻率和相位進行檢測，經計算處理后，使uF與uREF同頻與同相，以實現(xiàn)頻率和相位的跟蹤，實現(xiàn)的方法簡單可行。2.歷屆的“電源類”賽題設計要求和設計方案七2.7開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（2011年A題）[本科組]2.7.1開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（2011年A題）[本科組]賽題要求[1]賽題要求設計并制作一個由兩個額定輸出功率均為16W的8VDC/DC模塊構成的并聯(lián)供電系統(tǒng)。1.基本要求（1）調整負載電阻至額定輸出功率工作狀態(tài)，供電系統(tǒng)的直流輸出電壓UO=8.0±0.4V。（2）額定輸出功率工作狀態(tài)下，供電系統(tǒng)的效率不低于60%。（3）調整負載電阻，保持輸出電壓UO=8.0±0.4V，使兩個模塊輸出電流之和IO=1.0A且按I1:I2=1:1模式自動分配電流，每個模塊的輸出電流的相對誤差絕對值不大于5%。（4）調整負載電阻，保持輸出電壓UO=8.0±0.4V，使兩個模塊輸出電流之和IO=1.5A且按I1:I2=1:2模式自動分配電流，每個模塊輸出電流的相對誤差絕對值不大于5%。2.發(fā)揮部分（1）調整負載電阻，保持輸出電壓UO=8.0±0.4V，使負載電流IO在1.5~3.5A之間變化時，兩個模塊的輸出電流可在（0.5~2.0）圍按指定的比例自動分配，每個模塊的輸出電流相對誤差的絕對值不大于2%。（2）調整負載電阻，保持輸出電壓UO=8.0±0.4V，使兩個模塊輸出電流之和IO=4.0A且按I1:I2=1:1模式自動分配電流，每個模塊的輸出電流的相對誤差的絕對值不大于2%。（3）額定輸出功率工作狀態(tài)下，進一步提高供電系統(tǒng)效率。（4）具有負載短路保護與自動恢復功能，保護閾值電流為4.5A（調試時允許有±0.2A的偏差）。（5）其他。2.7.2開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（2011年A題）[本科組]賽題分析與設計方案根據賽題要求，系統(tǒng)采用兩路Buck電路作為DC-DC主電路，PWM驅動采用開關電源控制芯片SG3525，兩路主控制器為AVR單片機ATMEGA16L。單片機通過采樣電壓電流值和輸入的鍵值來計算輸出信號。此信號經D/A轉換后，作為參考信號輸入PID調節(jié)電路，從而調節(jié)輸出電流電壓值，完成均流、穩(wěn)壓與過流保護功能。電流采樣采用高精度霍爾電流傳感器（精度為0.5%），A/D、D/A采用12位的模/數轉換芯片，PID電路中的運放采用高精度的工業(yè)級運放LM224和LM258芯片。其中：DC-DC主回路拓撲選擇：方案一采用反激式電路。開關管導通期間儲存能量，當它截止時才向負載釋放能量，故高頻變壓器在開關工作過程中，既起變壓隔離作用，又是儲能元件。但是，由于變壓器存在漏感，將在原邊形成很大的電壓尖峰，可能擊穿開關器件。需要設鉗位電路予以保護。方案二采用Buck降壓電路。當開關導通時，輸入電壓加到LC濾波器的輸入端，能量存儲在電感中，電流線性上升。當開關斷開，電感續(xù)流。Buck電路只能降壓，其結構較簡單，效率較高，無需高頻變壓器。方案一可以實現(xiàn)題目要求，但結構較復雜、成本較高；方案二不僅滿足題目要求且相對方案一，結構更為簡單、成本較低，效率更高，無須繞變壓器，故本系統(tǒng)選擇方案二。開關管控制器選擇：方案一直接采用AVR單片機ATMEGA16L產生的PWM波來控制MOS管的開通關斷。隔離采用TLP250光耦芯片，驅動采用兩個非門來實現(xiàn)。此方案控制電路簡單，易于控制，但對單片機要求高，可能難達到題目要求。方案二采用專用的開關電源控制芯片SG3525產生PWM波。根據賽題要求5秒鐘給出穩(wěn)定讀數，用軟件很難達到如此短時間要求，硬件電路卻很容易實現(xiàn)。所以本系統(tǒng)選擇方案二。電流檢測：電流檢測采用高精度的霍爾型電流傳感器SCK8-50A完成采樣，輸入電流與輸出電壓之比為1.25。由于其檢測電流偏大，可用導線繞10圈來增大其測量圍（電流為0.5A時，輸出電壓為0.4V）。此輸出電壓信號進入PID調節(jié)電路和A/D。與D/A輸出的設定電流信號進行比較調節(jié)，D/A輸出的參考信號是單片機對A/D輸入的電流信號進行計算處理并結合輸入的鍵值得到分配的電流值。所得誤差信號通過輸入到SG3525的脈寬比較器COMP端控制PWM輸出。電壓檢測：電壓采樣直接采用電阻分壓實現(xiàn)。所得電壓信號輸入到ADC，再送到單片機進行計算，從而調節(jié)輸出。開關電源并聯(lián)系統(tǒng)常用的均流方法有輸出阻抗法、主從設置法、按平均電流值自動均流法、最大電流自動均流法、熱應力自動均流法與外加均流控制器均流法。本系統(tǒng)有兩種監(jiān)控模式。一種為自動分配電流模式，一種為手動設定分配比例模式。通過監(jiān)控模塊實現(xiàn)均流。采用軟硬件聯(lián)合方進行均流控制，軟件控制是通過軟件采樣輸出電流值，根據輸出電流值計算設定硬件電路的所需的參考電壓。硬件電路主要采用PID調節(jié)電路，比較軟件給定的參考電壓與系統(tǒng)輸出平均電流對應的電壓，所得誤差信號輸入PWM驅動電路調節(jié)開關管從而調節(jié)兩路輸出電流值。當輸出電流為1A時和4.0A時按1:1的比例自動設定分配電流值；當輸出電流為1.5A到3.5A時，按任意比例手動設定分配電流值。軟件方式易于實現(xiàn)，均流精度高，但其瞬態(tài)響應比較差，調節(jié)時間長。硬件電路結構較復雜，但其瞬態(tài)響應比較快，調節(jié)時間短。采用軟硬件聯(lián)合方式使系統(tǒng)同時具有來那個軟硬件結構的優(yōu)點。不僅精度高，而且反應快，電路結構也較簡單。過流保護直接用單片機實現(xiàn)，當輸出電流超過4.5A時，得到相應的電流傳感輸出電壓