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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(shù)控直流電源（1994年A題）② 直流穩(wěn)壓電源（1997年A題）③ 數(shù)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(wǎng)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)，而且設計要求是越來越高（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）輸出頻率范圍為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)、負載缺相保護及負載不對稱保護(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(wǎng)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在給定范圍內(nèi)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在給定范圍內(nèi)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8V DC/DC 模塊構成的并聯(lián)供電系統(tǒng)。（1）調(diào)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）范圍內(nèi)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(diào)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(diào)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）具有負載短路保護及自動恢復功能，保護閾值電流為4.5A（調(diào)試時允許有±0.2A 的偏差）。

2.1簡易數(shù)控直流電源（1994年A題）賽題要求和設計方案

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(shù)控直流電源（1994年A題）2.1.1簡易數(shù)控直流電源賽題要求[1]賽題要求設計出有一定輸出電壓范圍和功能的數(shù)控電源（1）基本要求a. 輸出電壓：范圍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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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變換輸出波形相同，可以輸出直流電平，和根據(jù)預先生成波形的量化數(shù)據(jù)產(chǎn)生多種波形輸出；顯示部分采用MXA136組成的三位半的數(shù)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(jù)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(chǎn)生聲音報警。輸出電壓顯示采用MAX136組成的數(shù)字電壓表，MAX136的引腳端封裝形式和MAX136構成的數(shù)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(shù)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。 

2.2直流穩(wěn)壓電源（1997年A題）賽題要求和設計方案

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　?、俜€(wěn)壓電源在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍＋15%～－20%條件下：　　a．輸出電壓可調(diào)范圍為+9V～+12V；b．最大輸出電流為1.5A；c．電壓調(diào)整率≤0.2%（輸入電壓220V變化范圍＋15%～－20%下，空載到滿載）；d．負載調(diào)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．具有過流及短路保護功能。② 穩(wěn)流電源在輸入電壓固定為＋12V的條件下：a． 輸出電流：4～20mA可調(diào)；　　b．負載調(diào)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）。　　③ DC-DC變換器在輸入電壓為+9V～+12V條件下：a． 輸出電壓為+100V，輸出電流為10mA；b． 電壓調(diào)整率≤1%（輸入電壓變化范圍+9V～+12V）；c． 負載調(diào)整率≤1%（輸入電壓+12V下，空載到滿載）；d． 紋波電壓（峰-峰值）≤100mV （輸入電壓+9V下，滿載）。（2）發(fā)揮部分　?、?nbsp;擴充功能a． 排除短路故障后，自動恢復為正常狀態(tài)；b． 過熱保護；c． 防止開、關機時產(chǎn)生的“過沖”。② 提高穩(wěn)壓電源的技術指標a． 提高電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率；b． 擴大輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和提高最大輸出電流值。③ 改善DC-DC變換器a． 提高效率（在100V、100mA下）；b． 提高輸出電壓。　　④ 用數(shù)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，輸出電壓范圍寬，輸出電流大的特點。顯示模塊由7107 A/D及顯示譯碼芯片和LED數(shù)碼管構成。1.穩(wěn)壓電源電路設計根據(jù)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(zhuǎn)變。采用脈寬調(diào)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(diào)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(diào)整率和負載調(diào)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(wǎng)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(diào)穩(wěn)壓器作為恒流電路，是由于其3端與1端之間存在1.35 V固定壓降VZ，流經(jīng)固定電阻后可產(chǎn)生恒定的電流。4. 顯示電路設計顯示電路由數(shù)字電壓表芯片+顯示譯碼芯片+LED數(shù)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(wǎng)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。 

2.3 數(shù)控直流電流源（2005年F題）賽題要求和設計方案

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 三2.3 數(shù)控直流電流源（2005年F題）2.3.1 數(shù)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(shù)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 輸出電流范圍：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％+10 mA；③ 具有“+”、“-”步進調(diào)整功能，步進≤10mA；④ 改變負載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的1％+10 mA； ⑤ 紋波電流≤2mA；⑥ 自制電源。（2）發(fā)揮部分（50分）① 輸出電流范圍為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以內(nèi)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）2.3.1 數(shù)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(shù)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(jù)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(jù)傳統(tǒng)線性恒流源的原理，以集成穩(wěn)壓芯片（如LM338）與數(shù)字電位器構成電流源的主體部分，通過單片機改變數(shù)字電位器的阻值以實現(xiàn)對恒流源輸出值的調(diào)整，并使用數(shù)碼管LED顯示其數(shù)值。該方案電路結構簡單，容易實現(xiàn)，但由于目前數(shù)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(shù)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(jù)開關電源的原理，經(jīng)AC/DC/DC變換過程來實現(xiàn)可調(diào)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(jīng)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(chǎn)生PWM調(diào)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(jīng)儲能電感平波、電容高頻濾波后，輸出可調(diào)的直流電；使用HCPL7870光電隔離A/D轉(zhuǎn)換芯片（轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，所以該方案可靠性高、編程容易。但經(jīng)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(shù)字PWM調(diào)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(jù)輸出電流的紋波與輸出的頻率成反比的規(guī)律，在25KHz頻帶范圍內(nèi)，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(shù)字信號反饋控制，對數(shù)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(wǎng)波動對斬波電路的影響?？刂撇糠诌x用單片機與專用的PWM調(diào)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(zhuǎn)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(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片變成數(shù)字信號傳送給單片機處理，作為輔助的調(diào)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(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差?。虎?nbsp;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(shù)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MOSFET IRF5210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。 ② PWM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(shù)-65ppm/℃，帶寬大于1MHz，耐壓為直流1000V。具有精度較高、轉(zhuǎn)換速度快、穩(wěn)定性好的特點，能達到系統(tǒng)的設計要求。 ④ A/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(shù)據(jù)傳送方式的ADS7841和DAC7512兩款芯片轉(zhuǎn)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AT89S8252 CMOS 8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。 

2.5開關穩(wěn)壓電源（2007年E題 本科組）賽題要求和設計方案

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 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(diào)范圍：30V～36V；② 最大輸出電流IOmax：2A；③ U2從15V變到21V時，電壓調(diào)整率SU≤2%（IO=2A）；④ IO從0變到2A時，負載調(diào)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）；⑥ DC-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(diào)整率，使SU≤0.2%（IO=2A）；（10分）② 進一步提高負載調(diào)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(diào)整，步進值1V，同時具有輸出電壓、電流的測量和數(shù)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(diào)整率、負載調(diào)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(shù)字電壓電流表，其他部分可以考慮增加與語音報數(shù)、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(jù)負載反饋信號對PWM信號做出調(diào)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(diào)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＝72 W，則對應的輸入功率為Pi＝PO/0. 85＝84. 7 W，即允許功耗為12. 7 W。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8 mΩ；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＝0.4 W。單片機可以選用MSP430 F449、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20 kHz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。考慮系統(tǒng)總功率大于120 W，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(chǎn)生PWM控制信號。單片機根據(jù)取樣電路的反饋對PWM信號做出調(diào)整以實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出

c 2.6光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置（2009年A題）【本科組】賽題要求和設計方案

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 六2.6光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置（2009年A題）【本科組】2.6.1光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置（2009年A題）【本科組】賽題要求[1]賽題要求設計并制作一個光伏并網(wǎng)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(wǎng)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www.nuedc.com.cn查詢。2.6.2光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置（2009年A題）【本科組】設計方案[7,9~14]根據(jù)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內(nèi)阻電壓以及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)對頻率以及相位的跟蹤。本光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置系統(tǒng)主要由DC-DC、DC-AC、并網(wǎng)控制電路和保護電路等部分組成。本光伏并網(wǎng)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內(nèi)阻的電壓；逆變部分采用驅(qū)動芯片IRF540進行全橋逆變，用自然采樣法完成SPWM的調(diào)制；并網(wǎng)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(wǎng)。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(diào)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(jīng)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(diào)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(jīng)計算處理后，使uF與uREF同頻及同相，以實現(xiàn)頻率和相位的跟蹤，實現(xiàn)的方法簡單可行。 

3．推薦幾本教材

南華大學黃智偉 備戰(zhàn)2013電子設計競賽 “電源類”賽題分析3．推薦幾本教材“全國大學生電子設計競賽“十二五規(guī)劃”教材”系列叢書由黃智偉編著，北京航空航天大學出版社2011.1出版，其特點是以全國大學生電子設計競賽所需要的知識點和競賽技能為基礎，內(nèi)容豐富實用，敘述簡潔清晰，工程性強，突出了設計制作競賽作品的方法與技巧?！跋到y(tǒng)設計”、“電路設計”、“技能訓練”、“制作實訓”、“常用電路模塊制作”和“ARM嵌入式系統(tǒng)應用設計與實踐”六本書互為補充，構成一個完整的訓練體系。“全國大學生電子設計競賽 系統(tǒng)設計（第2版）”（黃智偉編著，北京航空航天大學出版社2011.1，全國大學生電子設計競賽“十二五規(guī)劃”教材） 通過對歷年的競賽設計實例進行系統(tǒng)方案分析、單元電路設計、集成電路芯片選擇，全面系統(tǒng)地介紹電子設計競賽作品的基本設計方法，目的是使學生建立一個“系統(tǒng)概念”，在電子設計競賽中能夠盡快的拿出系統(tǒng)設計方案。“全國大學生電子設計競賽 電路設計（第2版）”（黃智偉編著，北京航空航天大學出版社2011.1，全國大學生電子設計競賽“十二五規(guī)劃”教材）通過對9類140多個電路設計實例所采用的集成電路芯片的主要技術性能與特點、芯片封裝與引腳功能、內(nèi)部結構、工作原理和應用電路等內(nèi)容進行介紹，目的是使學生全面、系統(tǒng)地掌握電路設計的基本方法，能夠在電子設計競賽中盡快的“找到”和“設計”出適用的電路。“全國大學生電子設計競賽 技能訓練（第2版）” （黃智偉編著，北京航空航天大學出版社2011.1，全國大學生電子設計競賽“十二五規(guī)劃”教材）通過對元器件的選用，印制電路板的設計與制作，元器件和導線的安裝和焊接；元器件的檢測，電路性能參數(shù)的測量，模擬電路、數(shù)字電路和整機的調(diào)試與故障檢測，設計總結報告的寫作，培訓學生全面、系統(tǒng)地掌握在電子競賽作品制作過程中必需的一些基本技能。“全國大學生電子設計競賽 制作實訓（第2版）” （黃智偉編著，北京航空航天大學出版社2011.1，全國大學生電子設計競賽“十二五規(guī)劃”教材）與“技能訓練”相結合，通過單片機最小系統(tǒng)、FPGA最小系統(tǒng)、模擬電路、數(shù)字電路、高頻電路、電源電路等30多個制作實例，掌握主要元器件特性、電路結構、印制電路板、制作步驟、調(diào)試方法、性能測試方法等內(nèi)容，培養(yǎng)學生制作、裝配、調(diào)試與檢測等基本技能，使其具有一定的實際動手能力，能夠順利的完成電子設計競賽作品的制作。“全國大學生電子設計競賽 常用電路模塊制作” （黃智偉編著，北京航空航天大學出版社2011.1，全國大學生電子設計競賽“十二五規(guī)劃”教材）指導學生完成電子設計競賽中所常用的微控制器電路模塊、微控制器外圍電路模塊、放大器電路模塊、傳感器電路模塊、電機控制電路模塊、信號發(fā)生器電路模塊和電源電路模塊的制作，所制作的模塊可以直接在競賽中使用。“全國大學生電子設計競賽 ARM嵌入式系統(tǒng)應用設計與實踐” （黃智偉編著，北京航空航天大學出版社2011.1，全國大學生電子設計競賽“十二五規(guī)劃”教材）以ARM嵌入式系統(tǒng)在全國大學生電子設計競賽應用所需要的知識點為基礎，以LPC214x ARM微控制器最小系統(tǒng)為核心， 以LED、LCD和觸摸屏顯示電路，ADC和DAC電路，直流電機、步進電機和舵機的驅(qū)動電路，光電、超聲波、圖像識別、色彩識別、電子羅盤、傾角傳感器、角度傳感器，E2PROM，SD卡，無線收發(fā)器模塊，CAN總線模塊的設計制作與編程實例為模板，目的使學生能夠簡單、快捷的掌握ARM系統(tǒng)，并且能夠在電子設計競賽中應用。“嵌入式系統(tǒng)中的模擬電路設計”（黃智偉編著，電子工業(yè)出版社，2011.1）。模擬無處不在，模擬電路是嵌入式系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。本書共分5章，著重介紹了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的驅(qū)動電路設計，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出電路設計，抗混疊濾波器電路設計，電壓基準電路的選擇與設計，以及模數(shù)混合系統(tǒng)的PCB設計。本書內(nèi)容豐富，敘述詳盡清晰，圖文并茂，通過大量的設計實例說明嵌入式系統(tǒng)中的模擬電路設計中的一些技巧與方法、以及應該注意的問題，工程性好，實用性強。本書可以作為本科院校和高職高專電子信息工程、通信工程、自動化、電氣、計算機應用等專業(yè)學習嵌入式系統(tǒng)硬件設計的教材，以及作為全國大學生電子設計競賽的培訓教材。“高速數(shù)字電路設計入門”（黃智偉編著，電子工業(yè)出版社，2012.3）是一本介紹高速數(shù)字電路設計基礎知識、設計要求與方法的參考書。全書共分10章，著重介紹了在高速數(shù)字電路中電阻元件、電容元件、電感元件、鐵氧體元件的特性與應用，高速數(shù)字電路的PDN設計，高速數(shù)字電路的去耦電路設計，F(xiàn)PGA的PDN設計，高速數(shù)字電路的信號完整性，高速數(shù)字電路的EMI抑制，高速信令標準的規(guī)范要求、特性與應用等內(nèi)容。本書內(nèi)容豐富，敘述詳盡清晰，圖文并茂，通過大量的設計實例說明高速數(shù)字電路設計中的一些技巧與方法、以及應該注意的問題，工程性好，實用性強。“印制電路板（PCB）設計技術與實踐” （黃智偉編著，電子工業(yè)出版社，2009.4）是本書共分14章，著重介紹了印制電路板（PCB）的焊盤、過孔、疊層、走線、接地、去耦合電路、電源電路、時鐘電路、模擬電路、高速數(shù)字電路、射頻電路的PCB設計的基本知識、設計要求、方法和設計實例，以及PCB的散熱設計、PCB的可制造性與可測試性設計，PCB的ESD防護設計。本書內(nèi)容豐富，敘述詳盡清晰，圖文并茂，通過大量的設計實例說明PCB設計中的一些技巧與方法、以及應該注意的問題，工程性好，實用性強。“STM32F 32位微控制器應用設計與實踐” （黃智偉編著，北京航空航天大學出版社2012，5）本書共分14章，系統(tǒng)介紹了STM32F系列32位微控制器最小系統(tǒng)設計，工程建立、軟件仿真調(diào)試與程序下載，GPIO、USART、ADC、DAC、定時器、看門狗、SPI、I2C、CAN、SDIO接口的使用與編程，以及LCD、觸摸屏、Flash存儲器、顏色傳感器、光強檢測傳感器、圖像傳感器、加速度傳感器、角度位移傳感器、音頻編解碼器、RFID、射頻無線收發(fā)器、數(shù)字調(diào)頻無線電接收機、DDS、CAN收發(fā)器、Micro SD卡、步進電機、交流調(diào)壓等模塊的使用與編程。本書所有示例程序都通過驗證，相關程序代碼可以免費下載。本書以STM32F系列32位微控制器在全國大學生電子設計競賽應用所需要的知識點為基礎，以實例為模板，敘述簡潔清晰，工程性強，可以作為高等院校電子信息、通信工程、自動化、電氣控制類等專業(yè)學生參加全國大學生電子設計競賽的培訓教材，也可以作為參加電子制作、課程設計、畢業(yè)設計，以及進行STM32F系列32位微控制器設計與開發(fā)的參考書。