2013全国大学生电子设计竞赛电源类历届赛题分析

2013 电子设计竞赛电子设计竞赛 “电源类电源类”赛题分析赛题分析 1. 历届的历届的“电源类电源类”赛题赛题 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，而且设计要求是越来越高（例如，精度、效率（80%）等） 。例如：2005 年年 G 题题“三相正弦波变频电源三相正弦波变频电源”赛题要求赛题要求1 （1）输出频率范围为 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 年年 A 题题【本科组本科组】“光伏并网发电模拟装置光伏并网发电模拟装置”赛题要求赛题要求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，dS1 2UU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=30 时） 。（4）具有输入欠压保护功能，具有输出过流保护功能。 2011 年年 A 题题【本科组本科组】“】“开关电源模块并联供电系统开关电源模块并联供电系统”赛题要求赛题要求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=8.0±0.4V，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）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）。南华大学黄智伟南华大学黄智伟 备战备战 2013 电子设计竞赛电子设计竞赛 “电源类电源类”赛题分析赛题分析 2. 历届的历届的“电源类电源类”赛题设计要求和设计方案赛题设计要求和设计方案 一一 2.1 简易数控直流电源（简易数控直流电源（1994 年年 A 题）题） 2.1.1 简易数控直流电源简易数控直流电源赛题要求1 赛题要求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）基本要求 a. 输出电压：范围 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）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。南华大学黄智伟南华大学黄智伟 备战备战 2013 电子设计竞赛电子设计竞赛 “电源类电源类”赛题分析赛题分析2. 历届的历届的“电源类电源类”赛题设计要求和设计方案赛题设计要求和设计方案 二二 2.2 直流稳压电源（直流稳压电源（1997 年年 A 题）题） 2.2.1 直流稳定电源系统赛题要求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）基本要求稳压电源 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。 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）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 扩大输出电压调节范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，输出电压范围宽，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 恒流电路可以采用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。 南华大学黄智伟南华大学黄智伟 备战备战 2013 电子设计竞赛电子设计竞赛 “电源类电源类”赛题分析赛题分析 2. 历届的历届的“电源类电源类”赛题设计要求和设计方案赛题设计要求和设计方案 三三 2.3 数控直流电流源（数控直流电流源（2005 年年 F 题）题） 2.3.1 数控直流电流源（数控直流电流源（2005 年年 F 题）题）赛题要求赛题要求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）基本要求要求（50 分） 输出电流范围：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 以内变化时，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）发挥部分（50 分） 输出电流范围为 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