南华大学黄智伟 备战电子设计竞赛电源类赛题.docx

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南华大学黄智伟备战电子设计竞赛电源类赛题

南华大学黄智伟备战2013电子设计竞赛“电源类”赛题分析

1.历届的“电源类”赛题

在10届电子设计竞赛中，电源类赛题有8题[1]：

①简易数控直流电源（1994年A题）

②直流稳压电源（1997年A题）

③数控直流电流源（2005年F题）

④三相正弦波变频电源（2005年G题）

⑤开关稳压电源（2007年E题）【本科组】

⑥光伏并网发电模拟装置（2009年A题）【本科组】

⑦电能搜集充电器（2009年E题）【本科组】

⑧开关电源模块并联供电系统（2011年A题）【本科组】

比较历届赛题可以看到，“电源类”赛题从DC→AC，从单个电源到多个电源并联，而且设计要求是越来越高（例如，精度、效率

（≥80%）等）。

例如：

2005年G题“三相正弦波变频电源”赛题要求[1]：

（1）输出频率范围为20Hz～100Hz的三相对称交流电，各相电压有效值之差小于0.5V；

（2）当输入电压为198V～242V，负载电流有效值为0.5～3A时，输出线电压有效值应保持在36V，误差的绝对值小于1%；

（3）设计制作具有测量、显示该变频电源输出电压、电流、频率和功率的电路，测量误差的绝对值小于5%；

（4）变频电源输出频率在50Hz以上时，输出相电压的失真度小于5%；

（5）具有过流保护（输出电流有效值达3.6A时动作）、负载缺相保护及负载不对称保护（三相电流中任意两相电流之差大于0.5A时动作）功能，保护时自动切断输入交流电源。

2009年A题【本科组】“光伏并网发电模拟装置”赛题要求[1]：

（1）具有最大功率点跟踪（MPPT）功能：

RS和RL在给定范围内变化时，使

，相对偏差的绝对值不大于1%。

（2）具有频率跟踪功能：

当fREF在给定范围内变化时，使uF的频率fF=fREF，相对偏差绝对值不大于1%。

（3）DC-AC变换器的效率，使

≥80%（RS=RL=30Ω时）。

（4）具有输入欠压保护功能，具有输出过流保护功能。

2011年A题【本科组】“开关电源模块并联供电系统”赛题要求[1]:

赛题要求设计并制作一个由两个额定输出功率均为16W的8VDC/DC模块构成的并联供电系统。

（1）调整负载电阻至额定输出功率工作状态，供电系统的直流输出电压UO=8.0±0.4V，使负载电流IO在1.5~3.5A之间变化时，两个模块的输出电流可在（0.5~2.0）范围内按指定的比例自动分配，每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于2%。

（2）额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于60%。

（3）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.0±0.4V，使两个模块输出电流之和IO=4.0A且按I1:

I2=1:

1模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于2%。

（4）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.0±0.4V，使两个模块输出电流之和IO=1.5A且按I1:

I2=1:

2模式自动分配电流，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于5%。

（5）具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为4.5A（调试时允许有±0.2A的偏差）。

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2.历届的“电源类”赛题设计要求和设计方案一

2.1简易数控直流电源（1994年A题）

2.1.1简易数控直流电源赛题要求[1]

赛题要求设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源

（1）基本要求

a.输出电压：

范围0～＋9.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV；

b.输出电流：

500mA；

c.输出电压值由数码管显示；

d.由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减；

e.为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出±15V，＋5V。

（2）发挥部分

a.输出电压可预置在0～9.9V之间的任意一个值；

b.用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V不变）；

c.扩展输出电压种类（比如三角波等）。

2.1.2简易数控直流电源系统设计方案[2,9~14]

采用单片机作为控制器的简易数控直流电源设计方案如下所示：

设计方案中采用AT89S52单片机完成系统的数控功能；采用8279作为键盘／显示器接口控制器，可简化接口引线，减少软件对键盘／显示器的查询时间，提高AT89S52单片机的利用率；输出部分采用DAC0832与运算放大器OP077，OP077输出电压波形与D／A变换输出波形相同，可以输出直流电平，和根据预先生成波形的量化数据产生多种波形输出；显示部分采用MXA136组成的三位半的数字电压表（DVM）直接显示输出电压值，一旦系统工作异常，出现预置值与输出值偏差过大，用户可根据该信息予以处理。

采用带有ADC和DAC的微控制器系统（如STM32）系统结构会更简单。

功率输出电路由运算放大器LF356和达林顿管TIP122与TIP127组成，LF356和达林顿管TIP122与TIP127构成闭环推挽输出电路形式，推挽功率放大器可以保证输出电压较好地跟踪D/A变换的输出。

过流保护电路由晶体管9015和9014组成，过流保护电路还采用了一个声音报警电路，当过流时产生声音报警。

输出电压显示采用MAX136组成的数字电压表，MAX136的引脚端封装形式和MAX136构成的数字电压表电路如图1.4.20所示。

单片机显示器可以显示设置的电压值，数字电压表显示器显示实际测量的电压值。

电路正常工作时两者应相差很小。

直流稳压电源电路采用三端稳压器芯片MC7815/7915和MC7805构成。

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2.历届的“电源类”赛题设计要求和设计方案二

2.2直流稳压电源（1997年A题）

2.2.1直流稳定电源系统赛题要求[1]

赛题要求设计并制作交流变换为直流的稳定电源。

（1）基本要求

　　①稳压电源

在输入电压220V、50Hz、电压变化范围＋15%～－20%条件下：

　　a．输出电压可调范围为+9V～+12V；

b．最大输出电流为1.5A；

c．电压调整率≤0.2%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到满载）；

d．负载调整率≤1%（最低输入电压下，满载）；

e．纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）；

f．效率≥40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）；

　　g．具有过流及短路保护功能。

②稳流电源

在输入电压固定为＋12V的条件下：

a．输出电流：

4～20mA可调；

　　b．负载调整率≤1%（输入电压＋12V、负载电阻由200Ω～300Ω变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）。

　　③DC-DC变换器

在输入电压为+9V～+12V条件下：

a．输出电压为+100V，输出电流为10mA；

b．电压调整率≤1%（输入电压变化范围+9V～+12V）；

c．负载调整率≤1%（输入电压+12V下，空载到满载）；

d．纹波电压（峰-峰值）≤100mV（输入电压+9V下，满载）。

（2）发挥部分

　　①扩充功能

a．排除短路故障后，自动恢复为正常状态；

b．过热保护；

c．防止开、关机时产生的“过冲”。

②提高稳压电源的技术指标

a．提高电压调整率和负载调整率；

b．扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值。

③改善DC-DC变换器

a．提高效率（在100V、100mA下）；

b．提高输出电压。

　　④用数字显示输出电压和输出电流

2.2.2直流稳定电源系统设计方案[2,9~14]

所设计的直流稳定电源系统由稳压电源、稳流电源、DC-DC变换器和显示模块四个模块电路构成。

稳压电源采用两级稳压电路，前级为DC-DC开关稳压电源，后级为线性稳压电路。

为进一步提高效率，两级间采用了恒压差控制技术。

稳流电路采用由运算放大器构成的恒流源电路，或者利用3端稳压器LM317构成的恒流电路。

DC-DC变换器采用降压型开关电源，具有效率高，输出电压范围宽，输出电流大的特点。

显示模块由7107A/D及显示译码芯片和LED数码管构成。

1.稳压电源电路设计

根据赛题要求，在线性稳压电路前端加入一个DC-DC变换器，利用DC-DC变换器来完成从不稳定的直流电压到稳定的直流9～12V电压的转变。

采用脉宽调制技术（PWM）和恒压差控制技术，使得线性稳压电路两端压差减小，电路消耗大幅度下降，以提高电源的效率。

其次，使用脉宽调制技术，很容易进行过流、过热、自保恢复。

此外，还可在DC-DC变换器中加入软启动电路，以抑制开关机时的“过冲”。

以TL494芯片为控制核心的单端PWM降压型开关稳压电路，由TL494芯片、开关管TIP32A、二极管MR850和低通滤波器组成。

2.线性稳压电路

采用线性稳压电路的目的是在降压型开关稳压电路的基础上实现线性高精度稳压，以降低纹波，提高电压调整率和负载调整率，最终达到设计的指标要求。

线性稳压电路由稳压管TL431（2.5V）、比较器、达林顿管MJE3055和电阻反馈网络组成。

3.恒流电路

恒流电路可以采用一个由双运放构成的恒流电路。

A1为深反馈同相放大器。

A2为电压跟随器，将输出电压反馈回输入端。

也可以利用LM317集成可调稳压器作为恒流电路，是由于其3端与1端之间存在1.35V固定压降VZ，流经固定电阻后可产生恒定的电流。

4.显示电路设计

显示电路由数字电压表芯片+显示译码芯片+LED数码管构成，各电压量程或者电流量程（电流测量，通过采样电阻上的压降）由拨钮开关选择，通过电阻网络分压后输入芯片。

本系统使用两组电路分别显示电压和电流值。

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2.历届的“电源类”赛题设计要求和设计方案三

2.3数控直流电流源（2005年F题）

2.3.1数控直流电流源（2005年F题）赛题要求[1]

赛题要求设计并制作数控直流电流源。

输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。

（1）基本要求（50分）

①输出电流范围：

200mA～2000mA；

②可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1％+10mA；

③具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA；

④改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1％+10mA；

⑤纹波电流≤2mA；

⑥自制电源。

（2）发挥部分（50分）

①输出电流范围为20mA～2000mA，步进1mA；（4分）

②设计、制作测量并显示输出电流的装置（可同时或交替显示电流的给定值和实测值），测量误差的绝对值≤测量值的0.1％+3个字；（20分）

③改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电

流值的0.1％+1mA；（16分）

④纹波电流≤0.2mA；（5分）

⑤其他。

（5分）

2.3.1数控直流电流源（2005年F题）设计方案[5,9~14]

赛题要求制作一个数控直流电流源，好的恒流特性是赛题的核心要求，发挥部分要求制作一个精度优于0.1％的电流表。

根据赛题要求，系统可分为电流源主电路、控制部分、人机界面（包括键盘输入与显示）和辅助电源四部分。

系统实现方案有：

方案一：

根据传统线性恒流源的原理，以集成稳压芯片（如LM338）与数字电位器构成电流源的主体部分，通过单片机改变数字电位器的阻值以实现对恒流源输出值的调整，并使用数码管LED显示其数值。

该方案电路结构简单，容易实现，但由于目前数字电位器分度有限，市场上能找到的最高分度只有10比特，如MAXIM公司的MAX5484，难以实现发挥部分的功能，此外，由于流过的电流较大，需要并串多个数字电位器才能满足输出的电流要求，且系统为开环控制，稳定性差、精度较低。

方案二：

根据开关电源的原理，经AC/DC/DC变换过程来实现可调稳流的功能，主电路由整流滤波电路、斩波电路和恒流电路构成。

其工作过程如下：

市电经隔离变压器降压后，通过整流桥整流，电容器滤波，变成平稳的直流电，完成AC/DC的变换过程；通过由FPGA（可编程逻辑器件）产生PWM调制波控制开关管的通断构成斩波电路，输出高频的直流脉冲，经储能电感平波、电容高频滤波后，输出可调的直流电；使用HCPL7870光电隔离A/D转换芯片（转换精度达15位）对输出电流进行采集，构成闭环控制系统。

由于FPGA的系统时钟频率高（一般使用50MHz），且以并行处理数据，所以该方案可靠性高、编程容易。

但经仔细分析后发现，该方案由如下几个缺点：

①系统成本较高；②由于使用的是离散数字PWM调制方式，当FPGA芯片使用50MHz的系统时钟时，若PWM的占空比要实现2000个分度时，PWM的最大频率只能达到25KHz，根据输出电流的纹波与输出的频率成反比的规律，在25KHz频带范围内，输出电流纹波较大，给后级的稳流滤波电路带来困难，影响输出的电流指标难以达到发挥部分的要求；（3）采用的是离散的数字信号反馈控制，对数字信号的量化精度要求较高。

方案三：

按照方案二AC/DC/DC的设计思路，再在斩波电路的前级增加一级稳压电路，使用集成稳压器来降低电网波动对斩波电路的影响。

控制部分选用单片机与专用的PWM调制芯片相结合的方式，来控制MOSFET开关管的导通。

其输出电流的大小通过隔离型电流传感器转换成对应的模拟信号。

并将这一模拟量分为两路，一路直接反馈到PWM集成芯片的反馈输入端，构成连续的闭环控制系统；另一路经模数转换芯片变成数字信号传送给单片机处理，作为辅助的调节反馈量，使用软件算法来修正给定量，减小稳态误差。

方案三与前面的方案相比，具有以下特点：

①是系统为双环控制系统，动态响应快、超调量和稳态误差小；②是成本较低、技术成熟；③是软硬件相结合，可靠性高、功能全、扩展余地大，理论上可以达到设计题目的所有性能指标。

数控直流电流源主要单元器件的选择：

①开关管选择P沟道的MOSFETIRF5210其通断电流为20A，开关频率可达1MHz，通态电阻Rds=0.06Ω，能满足设计要求。

②PWM芯片选择SG3525。

SG3525具有欠压保护和外部封锁功能，能方便实现过压过流保护，能输出两路波形一致、相位差为180°的PWM信号，结合双MOSFET管斩波电路的独特设计，能有效的减少输出电流的纹波。

③电流传感器的选择：

一是使用电量测量中常用的磁补偿式电流传感器，此种器件在mA级小电流检测时由于受漏磁等因素的影响，非线性失真明显。

难以保证对mA级小电量的准确测量。

且该类器件价格较昂贵。

二是使用线性光电耦合器，如线性光电耦合器HCNR200，HCNR200输出电流IPD2与LED发出的伺服光通量成线性比例，且其非线性度为0.01%，传输增益为100±15%；温度增益系数-65ppm/℃，带宽大于1MHz，耐压为直流1000V。

具有精度较高、转换速度快、稳定性好的特点，能达到系统的设计要求。

④A/D和D/A芯片的选择：

考虑到单片机的I/O接口资源。

选用串行数据传送方式的ADS7841和DAC7512两款芯片转换精度均为12位的集成芯片，其量化精度能达到1/4096<1/2000，完全能达到设计的精度要求。

⑤微控制器芯片采用ATMEL公司的AT89S8252CMOS8位单片机。

⑥人机界面：

采用LCD（液晶）显示。

⑦辅助电源选择：

辅助电源主要是为控制部分供电的，由于电流源的主电路有开关管在工作，噪声干扰大，所以为了确保控制部分的稳定性和可靠性，采用与主电路分离的电源电路供电。

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2.历届的“电源类”赛题设计要求和设计方案四

2.4三相正弦波变频电源（2005年G题）

2.4.1三相正弦波变频电源（2005年G题）赛题要求[1]

赛题要求设计并制作一个三相正弦波变频电源，输出线电压有效值为36V，最大负载电流有效值为3A，负载为三相对称阻性负载（Y接法）。

（1）基本要求（50分）

①输出频率范围为20Hz～100Hz的三相对称交流电，各相电压有效值之差小于0.5V；

②输出电压波形应尽量接近正弦波，用示波器观察无明显失真；

③当输入电压为198V～242V，负载电流有效值为0.5～3A时，输出线电压有效值应保持在36V，误差的绝对值小于5%；

④具有过流保护（输出电流有效值达3.6A时动作）、负载缺相保护及负载不对称保护（三相电流中任意两相电流之差大于0.5A时动作）功能，保护时自动切断输入交流电源。

（2）发挥部分（50分）

①当输入电压为198V～242V，负载电流有效值为0.5～3A时，输出线电压有效值应保持在36V，误差的绝对值小于1%；（10分）

②设计制作具有测量、显示该变频电源输出电压、电流、频率和功率的电路，测量误差的绝对值小于5%；（24分）

③变频电源输出频率在50Hz以上时，输出相电压的失真度小于5%；（11分）

④其他。

（5分）

2.4.2三相正弦波变频电源（2005年G题）赛题分析与设计方案例[5,9~14]

赛题要求设计并制作一个三相正弦波变频电源，工作原理可以参考电力电子学中有关三相正弦波变频电源的基本原理，核心的电路是SPWM发生器和全桥逆变电路。

保持输出线电压有效值的稳定是赛题指标的主要要求（线电压有效值的误差的绝对值小于1%）。

发挥部分要求设计制作一个测量误差小于5%，能够测量电压、电流、频率和功率的电路，有24分。

频率可以根据频率测量原理，利用系统中微控制器实现。

功率的测量需要测量电压和电流的有效值，简洁的方法可以采用专用的真有效值转换芯片实现。

（1）采用单片机和FPGA共同控制的三相正弦波变频电源

在一个采用单片机和FPGA共同控制的三相正弦波变频电源的系统中，控制方式采用单片机和FPGA共同控制的方式，由单片机AT89S52、IR12864—M液晶显示器、4×4按键构成人机界面，单片机控制IR12864—M液晶显示器、4×4按键，并与FPGA的通信。

FPGA作为本设计系统的主控器件，采用一块Xilinx公司生产的Spartan2E系列xc2s100e—6pq208芯片，利用VHDL（超高速硬件描述语言）编程，产生PWM波和SPWM波。

同时用FPGA完成采集控制逻辑、显示控制逻辑，系统控制，信号分析、处理、变换等功能。

220V/50Hz的市电，经过一个220V/60V的隔离变压器，输出60V的交流电压，经整流得直流电压，经斩波得到一个幅度可调的稳定直流电压。

斩波电路的IGBT开关器件选用BUP304，BUP304的驱动电路由集成化专用IGBT驱动器EXB841构成，EXB841的PWM驱动输入信号由FPGA提供，并采用光电隔离。

输出的斩波电压经逆变得到一系列频率的三相对称交流电。

逆变电路采用全桥逆变电路，MOSFET桥臂由六个K1358构成，K1358的驱动电路选用IR2111，IR2111的控制信号SPWM由FPGA提供。

逆变输出电压经过低通滤波，输出平滑的正弦波，输出信号分别经电压、电流检测，送AD637真有效值转换芯片，输出模拟电平，经模数转换器ADC0809，输出数据送FPGA处理。

送入FPGA的数据经过一系列处理，送显示电路，显示输出电压、电流、频率及功率。

（2）采用DSP和单片机共同控制的三相正弦波变频电源

采用DSP和单片机共同控制的三相正弦波变频电源由DSP三相正弦波变频电源的主电路和单片机的测量系统两部分组成。

在一个采用DSP三相正弦波变频电源的主电路中，交流电源经过桥式全波整流后进行电容滤波，输出直流电，作为逆变电路的直流电源。

同时也提供一路电源作为系统所需要的直流稳压电源。

为保证系统安全性，交流电源入口处串联5A保险管。

三相SPWM信号由电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407生成。

首先在DSP中的FLASH中存入512点的正弦表，改变读取正弦表每两个点之间的时间间隔，可以改变输出正弦波的频率，读取正弦表两个点之间时间间隔可以由定时器控制。

三相桥式逆变电路可以利用分立元件和集成的智能功率模块（IPM，例如PM30CSJ060）组成。

采用分立元件组成的三相桥式逆变电路，通常需要6个IGBT作为开关器件，以及IGBT的驱动电路。

利用内部包括有桥式逆变电路和驱动电路的集成智能功率模块（IPM），其外围电路简单，还具有多种保护的功能。

在一个采用单片机的测量系统，利用内部包含有A/D的单片机（例如PIC18F452等），通过电流传感器，电压传感器对线电压，线电流进行转换后，经过调理电路送入A/D，经数模转换后，单片机对数据进行处理，计算，计算后通过液晶屏显示所测量结果，并显示出被测信号的波形。

也可以同时实时检测电流有效值，当电流有效值大于3.6A时，立刻通过I/O口控制过流保护模块切断主回路来实现过流保护。

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2.历届的“电源类”赛题设计要求和设计方案五

2.5开关稳压电源（2007年E题本科组）

2.5.1开关稳压电源（2007年E题）【本科组】赛题要求[1]

赛题要求设计并制作一个开关稳压电源。

在电阻负载条件下，使电源满足下述要求：

（1）基本要求（50分）

①输出电压UO可调范围：

30V～36V；

②最大输出电流IOmax：

2A；

③U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%（IO=2A）；

④IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%（U2=18V）；

⑤输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；

⑥DC-DC变换器的效率

≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；

⑦具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.5±0.2A。

（2）发挥部分（50分）

①进一步提高电压调整率，使SU≤0.2%（IO=2A）；（10分）

②进一步提高负载调整率，使SI≤0.5%（U2=18V）；（10分）

③进一步提高效率，使

≥85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；（15分）

④排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；（4分）

⑤能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。

（6分）

⑥其他。

（5分）

2.5.2开关稳压电源（2007年E题）【本科组】赛题分析与设计方案例[6,9~14]

分析赛题要求，是要制作一个DC-DC升压型的开关稳压电源，工作原理可以参考电力电子学中有关升压型DC-DC的基本原理，核心的电路结构是Boost电路。

电压调整率、负载调整率、效率和过流保护是基本部分和发挥部分共同的要求，但要求效率

≥85%，显然需要对这个系统电路的功耗进行控制。

发挥部分还要求制作一个数字电压电流表，其他部分可以考虑增加与语音报数、报警等功能。

在一个采用单片机与Boost斩波电路的开关稳压电源系统中，系统以Boost斩波电路为核心，以单片机为主控制器和PWM信号发生器，根据负载反馈信号对PWM信号做出调整，进行可靠的闭环控制，从而实现稳压输出。

系统输出直流电压可以通过键盘设定和步进调整，并能对输入电压、输出电压和输出电流进行测量和显示。

本系统要求电源整体效率达到85%，电源的额定功率为PO＝36V×2A＝72W，则对应的输入功率为Pi＝PO/0.85＝84.7W，即允许功耗为12.7W。

电路的功耗与开关管的损耗（包括开关损耗和通态损耗），开关损耗与开