全国大学生电子设计竞赛电源类历届赛题分析

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 简易数控直流电源（1994年A题） 直流稳压电源（1997年A题） 数控直流电流源（2005年F题） 三相正弦波变频电源（2005年G题） 开关稳压电源（2007年E题）【本科组】 光伏并网发电模拟装置（2009年A题）【本科组】 电能搜集充电器（2009年E题）【本科组】 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DCAC，从单个电源到多个电源并联，而且设计要越来越高（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）输出频率围为20Hz100Hz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198V242V，负载电流有效值为0.53A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在给定围变化时，使，相对偏差的绝对值不大于1%。（2）具有频率跟踪功能：当fREF在给定围变化时，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=30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8V DC/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=8.00.4V，使负载电流IO 在1.53.5A之间变化时，两个模块的输出电流可在（0.52.0）围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=8.00.4V，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=8.00.4V，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）。南华大学黄智伟 备战2013电子设计竞赛 “电源类”赛题分析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围和功能的数控电源（1）基本要求a. 输出电压：围09.9V，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09.9V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2,914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DA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。南华大学黄智伟 备战2013电子设计竞赛 “电源类”赛题分析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）基本要求稳压电源在输入电压220V、50Hz、电压变化围15%20%条件下：a输出电压可调围为+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。 稳流电源在输入电压固定为12V的条件下：a 输出电流：420mA可调；b负载调整率1%（输入电压12V、负载电阻由200300变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）。 DC-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 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”。 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 扩大输出电压调节围和提高最大输出电流值。 改善DC-DC变换器a 提高效率（在100V、100mA下）；b 提高输出电压。 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2,914 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，输出电压围宽，输出电流大的特点。显示模块由7107 A/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912V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1.35 V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。 南华大学黄智伟 备战2013电子设计竞赛 “电源类”赛题分析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200240V，50Hz；输出直流电压10V。（1）基本要求（50分） 输出电流围：200mA2000mA； 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+10 mA； 具有“+”、“-”步进调整功能，步进10mA； 改变负载电阻，输出电压在10V以变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的1+10 mA； 纹波电流2mA； 自制电源。（2）发挥部分（50分） 输出电流围为20mA2000mA，步进1mA；（4分） 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） 改变负载电阻，输出电压在10V以变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的0.1+1mA；（16分） 纹波电流0.2mA；（5分） 其他。（5分）2.3.1 数控直流电流源（2005年F题）设计方案5,914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M