2.2 电源类赛题分析与设计方案实例

2.2.1 开关稳压电源（2007 年E题）

1.赛题要求[2]

设计并制作如图2.2.1所示的开关稳压电源。

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：30～36 V；

② 最大输出电流IOmax：2 A；

③U2从15 V变到21V时，电压调整率SU≤2 %（IO=2 A）；

④ IO从0变到2 A时，负载调整率SI≤5 %（U2=18 V）；

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

⑥ DC-DC变换器的效率η≥70 %（U2=18 V，UO=36 V，IO=2 A）；

⑦ 具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.5 ±0.2 A。

（2）发挥部分（50分）

① 进一步提高电压调整率，使SU≤0.2 %（IO=2 A）；（10分）

② 进一步提高负载调整率，使SI≤0.5%（U2=18 V）；（10分）

③ 进一步提高效率，使η≥85%（U2=18 V，UO=36 V，IO=2 A）；（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）

（3）说明

① DC-DC变换器不允许使用成品模块，但可以使用开关电源控制芯片。

②U2可通过交流调压器改变U1来调整。DC-DC变换器（含控制电路）只能由UIN端口供电，不得另加辅助电源。

③ 本题中的输出噪声纹波电压是指输出电压中的所有非直流成分，要求用带宽不小于20 MHz模拟示波器（AC耦合、扫描速度20 ms/div）测量UOPP。

④ 本题中电压调整率SU指U2在指定范围内变化时，输出电压UO的变化率；负载调整率SI指IO在指定范围内变化时，输出电压UO的变化率；DC-DC变换器效率η=PO/PIN，其中PO=UOIO，PIN=UINIIN。

⑤ 电源在最大输出功率下应能连续安全工作足够长的时间（测试期间，不能出现过热等故障）。

⑥ 制作时应考虑方便测试，合理设置测试点（参考图2.2.1）。

⑦ 设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图及主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果用附件给出。

2.赛题分析与设计方案实例[3]

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η≥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语音报数和报警等功能。

一个采用单片机与Boost斩波电路的开关稳压电源系统方框图如图2.2.2所示。

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=36 V×2 A=72 W，则对应的输入功率为PI=PO/0.85=84.7 W，即允许功耗为12.7 W。

电路的功耗与开关管的损耗（包括开关损耗和通态损耗），开关损耗与开关频率直接相关，通态损耗为Qon=I 2 R on（R on为开关管导通电阻）。续流二极管损耗为QD=Δ UI（Δ U为二极管导通压降）。例如选择IRF3205 功率MOSFET，其导通电阻仅为8 mΩ；续流二极管选择肖特基二极管745，导通压降为0.7 V。使用采样电阻对输出电流进行采样时，采样电阻的损耗为Qr=I2 r。例如使用0.1 Ω的采样电阻，额定输出时的损耗为Qr=（2 2 ×0.1）W=0.4 W。可以选用MSP430 F449、PIC16F877 等低功耗单片机，其功耗与CPU时钟频率有关，降低单片机时钟频率可使损耗减小。另外，还需要考虑测量控制电路的功耗，如信号放大用的运放使用低电源电压、RailToRai1 型的运放也可降低功耗。

Boost斩波电路拓扑结构如图2.2.3所示。开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量，电感L储能后使电压泵升，而电容C可将输出电压保持平稳，输出电压与输入电压的关系为UO=UI（ton+toff）/toff，通过改变P WM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流变流的方式实现升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。为降低开关损耗，工作频率不宜过高，开关频率选定为20 kHz左右。功率场效应管开关损耗小、工作频率较高，选取功率场效应管作为Boost斩波电路中开关管。由于流过电感L的电流有很大的直流分量，为了防止电感饱和，电感的磁芯需加气隙。考虑系统总功率大于120 W，需要选择大容量的磁芯（如EE42 型磁芯）和较大截面积的导线。

系统采用单片机产生PWM控制信号。单片机根据取样电路的反馈对PWM信号做出调整，以实现稳压输出。

2.2.2 数控直流电流源（2005 年F题）

1.赛题要求[2]

设计并制作数控直流电流源。输入交流200～240 V，50 Hz；输出直流电压≤10 V。其原理示意图如图2.2.4所示。

（1）基本要求（50分）

① 输出电流范围：200～2000 mA；

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%+10 mA；

③ 具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10 mA；

④ 改变负载电阻，输出电压在10 V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；

⑤ 纹波电流≤2 mA；

⑥ 自制电源。

（2）发挥部分（50分）

① 输出电流范围为20～2000 mA，步进1 mA；（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10 V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%+1 mA；（16 分）

④ 纹波电流≤0.2 mA；（5分）

⑤ 其他。（5分）

（3）说明

① 需要留出输出电流和电压测量端子；

② 输出电流可用高精度电流表测量；如果没有高精度电流表，可在采样电阻上测量电压换算成电流；

③ 纹波电流的测量可用低频毫伏表测量输出纹波电压，换算成纹波电流。

2.赛题分析与设计方案实例[4,9]

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。系统实现方案见以下介绍。

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，其原理方框图如图2.2.5所示。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，通过整流桥整流和电容器滤波，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 比特）对输出电流进行采集，构成闭环控制系统。该系统组成原理方框图如图2.2.6所示。

由于FPGA的系统时钟频率高（一般使用50 MHz），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，该方案有如下几个缺点：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50 MHz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25 kHz。根据输出电流的纹波与输出的频率成反比的规律，在25 kHz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，并使用软件算法来修正给定量，减小稳态误差。其组成原理框图如图2.2.7所示。

与前面的方案相比，方案三具有以下特点：① 系统为双环控制系统，动态响应快、超调量和稳态误差小；② 成本较低、技术成熟；③ 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MOSFET IRF5210，其通断电流为20 A，开关频率可达1 MHz，通态电阻Rds=0.06 Ω，能满足设计要求。

② PWM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HC-NR200，其输出电流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%；温度增益系数为-65 ppm/℃，带宽大于1 MHz，耐压为直流1000 V。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。

④ A/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AT89S8252 CMOS8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。系统的前级供电方式如图2.2.8所示。

2.2.3 三相正弦波变频电源（2005 年G题）

1.赛题要求[2]

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36 V，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）。三相正弦波变频电源原理方框图如图2.2.9所示。

（1）基本要求（50分）

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

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198～242 V，负载电流有效值为0.5～3 A时，输出线电压有效值应保持在36 V，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198～242 V，负载电流有效值为0.5～3 A时，输出线电压有效值应保持在36 V，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50 Hz以上时，输出相电压的失真度小于5%；（11 分）

④ 其他。（5分）

（3）说明

① 在调试过程中，要注意安全；

② 不能使用产生SPWM（正弦波脉宽调制）波形的专用芯片；

③ 必要时，可以在隔离变压器前使用自耦变压器调整输入电压，可用三相电阻箱模拟负载；

④ 测量失真度时，应注意输入信号的衰减以及与失真度仪的隔离等问题；

⑤ 输出功率可通过电流和电压的测量值进行计算。

2.赛题分析与设计方案实例[4,9]

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

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方框图如图2.2.10所示。控制方式采用单片机和FPGA共同控制的方式，由单片机AT89 S52、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Spartan2 E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完成采集控制逻辑和显示控制逻辑，系统控制，信号分析、处理及变换等功能。

220 V/50 Hz的市电，经过一个220 V/60 V的隔离变压器，输出60 V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6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。

一个采用DSP三相正弦波变频电源的主电路方框图如图2.2.11所示。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的时间间隔可以由定时器控制。输出交流电源的频率与定时器的计数值n有如下关系：

对于不同频率，根据上式计算出正弦表中每两点对应的计数值n，作为定时器的周期值，同时将周期数进行累加。在定时器周期中断时，将累加值取出作为递增角度偏移，并将查表所得正弦值作为比较值赋给比较寄存器。通过外部按键可改变n，即可改变输出正弦波频率，进而实现变频的功能。

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）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，其外围电路简单，还具有多种保护的功能。在本方案中采用三菱公司的智能功率模块PM30CSJ060。

一个采用单片机的测量系统方案如图2.2.12所示，利用内部包含有A/D的单片机（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和计算，计算后通过液晶屏显示所测量的结果，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。