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备战2015全国大学生电子设计竞赛_电源类赛题

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    2015全国大学生电子设计电源类赛题分析

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    1 南华大学黄智伟 备战 2015 全国大学生电子设计竞赛 电源类赛题分析 一、 电源类作品 1.1 电源类赛题分析 1.1.1 历届的“电源类”赛题 在 11 届全国大学生电子设计竞赛中,电源类赛题有 10 题[1]: ① 简易数控直流电源(第 1 届,1994 年 A 题) ② 直流稳压电源(第 3 届,1997 年 A 题) ③ 数控直流电流源(第 7 届,2005 年 F 题) ④ 三相正弦波变频电源(第 7 届,2005 年 G 题) ⑤ 开关稳压电源(第 8 届,2007 年 E 题,本科组) ⑥ 光伏并网发电模拟装置(第 9 届,2009 年 A 题,本科组) ⑦ 电能搜集充电器(第 9 届,2009 年 E 题,本科组) ⑧ 开关电源模块并联供电系统(第10届,2011年,A 题,本科组) ⑨ 单相AC-DC变换电路(第11届,2013年 A题,本科组) ⑩ 直流稳压电源及漏电保护装置(第11届,2013年 L题,高职高专组) 从历届赛题可以看到, “电源类”赛题从 AC→DC,从 DC→AC,从单相电到 3 相电, 从线性稳压器到开关稳压器,从单个电源到多个电源并联,已经涉及到电源设计基础的和先 进的技术,而且赛题要求的技术参数指标也是越来越高(例如,精度、效率η(≥95%)等)。 例 1:2005 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。 例 2:2009 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Ud = 1 2 US , 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η≥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。 例 3:2011 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 2 (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)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%。 (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 =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%。 (4)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)。 例 4:2013 年 A 题(本科组)“单相 AC-DC 变换电路”赛题要求[1]: 设计并制作一个单相 AC-DC 变换电路,输入交流电压 US=24V、输出直流电压 UO=36V, 输出电流 IO=2A,输入侧功率因数不低于 0.98,AC-DC 变换效率不低于 95%。 1.1.2 历届“电源类”赛题的主要知识点 从历届“电源类”赛题来看,主攻“电源类”赛题方向的同学需要了解的主要知识点如下: z 变频电源、PWM 开关电源等工作原理、系统结构和电路组成 z AC 电源变压器的设计与制作 z 高频开关电源变压器的设计与制作 z AC 整流和滤波电路设计与制作 z 斩波和驱动电路设计与制作 z 逆变和驱动电路设计与制作 z 电流、电压检测电路设计与制作 z 过流和过压保护电路设计与制作 z 真有效值检测电路设计与制作 z AC-DC 开关电源电路设计与制作 z DC-DC 升压型开关电源电路设计与制作 z DC-DC 降压型开关电源电路设计与制作 z 直流稳压电路设计与制作 z 单片机、FPGA、ARM 最小系统电路设计与制作 z 微控制器外围电路(显示器、键盘、开关等)的设计与制作 z ADC 和 DAC 电路设计与制作 1.1.3 “电源类”赛题培训的一些建议 “电源类””赛题中所涉及到的一些知识点,对有些专业的同学来讲,在专业课程中是没 有的,需要自己去搞清楚。这一点很重要。理论用来指导行动。没有理论基础,盲人摸象, 行动一定会有困难。 另外,“电源类””赛题的实践性要求很强,例如变压器的制作,特别是高频开关电源变 压器的制作,电感线圈的设计与制作、PCB 的设计等。 站在岸上是学不会游泳的。建议从简单的基本的电源类电路做起,如简单的直流稳压器 电路等,通过一些作品的制作和训练,找到感觉。 (1)主攻“电源类”赛题方向的同学在训练过程中,以历届赛题为基础,可以选择已经出现 过的一些赛题做一些训练;主要训练这类赛题的共用部分,如变压器、AC-DC 模块、DC-DC 模块、滤波器、微控制器最小系统、ADC/DAC 模块等。完成相关模块的设计制作,以备竞 赛需要。 2 3 (2)主攻“电源类”赛题方向的同学还应该注意与电源特性和指标参数测试有关的仪器仪表 的设计与制作。一些赛题会包含这方面的内容。例如,2007 年本科组 E 题“开关稳压电源” 要求测量输出电压和电流。2013 年本科组 A 题 “单相 AC-DC 变换电路”要求使用数字式单 相电参数测量仪,测量单相交流电参数(交流电压、电流和功率因数)。 (3)主攻“电源类”赛题方向的同学还可以发挥自己的想象力,考虑一下: ① 还有哪些“电源类”的赛题在竞赛中没有出现过?如大功率电流源等,在培训过程中 事先训练一下。 ② 已经出现过的一些赛题,考虑一下哪些可能会在放大器、仪器仪表、高频、控制类 等赛题中出现? ③ 已经出现过的一些赛题,考虑一下哪些可能在指标和功能方面会有哪些变化?如效 率、稳定度、输出功率等。 ④ 已经出现过的一些赛题,考虑一下哪些可能在制作工艺要求方面会有哪些变化? (4)主攻其他方向的同学,也需要注意电源的设计与制作。 3

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