全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電源類歷屆賽題分析-資料下載頁(yè)

　　

【正文】 偏差）。（5）其他。 開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（2011年A 題）【本科組】賽題分析與設(shè)計(jì)方案[2,9~14]根據(jù)賽題要求，系統(tǒng)采用兩路Buck電路作為DCDC主電路，PWM驅(qū)動(dòng)采用開關(guān)電源控制芯片SG3525，兩路主控制器為AVR單片機(jī)ATMEGA16L。單片機(jī)通過采樣電壓電流值和輸入的鍵值來(lái)計(jì)算輸出信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，作為參考信號(hào)輸入PID調(diào)節(jié)電路，從而調(diào)節(jié)輸出電流電壓值，完成均流、穩(wěn)壓及過流保護(hù)功能。電流采樣采用高精度霍爾電流傳感器（%），A/D、D/A采用12位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，PID電路中的運(yùn)放采用高精度的工業(yè)級(jí)運(yùn)放LM224和LM258芯片。其中：DCDC主回路拓?fù)溥x擇：方案一采用反激式電路。開關(guān)管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存能量，當(dāng)它截止時(shí)才向負(fù)載釋放能量，故高頻變壓器在開關(guān)工作過程中，既起變壓隔離作用，又是儲(chǔ)能元件。但是，由于變壓器存在漏感，將在原邊形成很大的電壓尖峰，可能擊穿開關(guān)器件。需要設(shè)鉗位電路予以保護(hù)。方案二采用Buck降壓電路。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加到LC濾波器的輸入端，能量存儲(chǔ)在電感中，電流線性上升。當(dāng)開關(guān)斷開，電感續(xù)流。Buck電路只能降壓，其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，效率較高，無(wú)需高頻變壓器。方案一可以實(shí)現(xiàn)題目要求，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本較高；方案二不僅滿足題目要求且相對(duì)方案一，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、成本較低，效率更高，無(wú)須繞變壓器，故本系統(tǒng)選擇方案二。開關(guān)管控制器選擇：方案一直接采用AVR單片機(jī)ATMEGA16L產(chǎn)生的PWM波來(lái)控制MOS管的開通關(guān)斷。隔離采用TLP250光耦芯片，驅(qū)動(dòng)采用兩個(gè)非門來(lái)實(shí)現(xiàn)。此方案控制電路簡(jiǎn)單，易于控制，但對(duì)單片機(jī)要求高，可能難達(dá)到題目要求。方案二采用專用的開關(guān)電源控制芯片SG3525產(chǎn)生PWM波。根據(jù)賽題要求5秒鐘內(nèi)給出穩(wěn)定讀數(shù)，用軟件很難達(dá)到如此短時(shí)間要求，硬件電路卻很容易實(shí)現(xiàn)。所以本系統(tǒng)選擇方案二。電流檢測(cè)：電流檢測(cè)采用高精度的霍爾型電流傳感器SCK850A完成采樣。由于其檢測(cè)電流偏大，可用導(dǎo)線繞10圈來(lái)增大其測(cè)量范圍（，）。此輸出電壓信號(hào)進(jìn)入PID調(diào)節(jié)電路和A/D。與D/A輸出的設(shè)定電流信號(hào)進(jìn)行比較調(diào)節(jié)，D/A輸出的參考信號(hào)是單片機(jī)對(duì)A/D輸入的電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理并結(jié)合輸入的鍵值得到分配的電流值。所得誤差信號(hào)通過輸入到SG3525的脈寬比較器COMP端控制PWM輸出。電壓檢測(cè)：電壓采樣直接采用電阻分壓實(shí)現(xiàn)。所得電壓信號(hào)輸入到ADC，再送到單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，從而調(diào)節(jié)輸出。開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)常用的均流方法有輸出阻抗法、主從設(shè)置法、按平均電流值自動(dòng)均流法、最大電流自動(dòng)均流法、熱應(yīng)力自動(dòng)均流法及外加均流控制器均流法。本系統(tǒng)有兩種監(jiān)控模式。一種為自動(dòng)分配電流模式，一種為手動(dòng)設(shè)定分配比例模式。通過監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)均流。采用軟硬件聯(lián)合方進(jìn)行均流控制，軟件控制是通過軟件采樣輸出電流值，根據(jù)輸出電流值計(jì)算設(shè)定硬件電路的所需的參考電壓。硬件電路主要采用PID調(diào)節(jié)電路，比較軟件給定的參考電壓與系統(tǒng)輸出平均電流對(duì)應(yīng)的電壓，所得誤差信號(hào)輸入PWM驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)開關(guān)管從而調(diào)節(jié)兩路輸出電流值。:1的比例自動(dòng)設(shè)定分配電流值；，按任意比例手動(dòng)設(shè)定分配電流值。軟件方式易于實(shí)現(xiàn)，均流精度高，但其瞬態(tài)響應(yīng)比較差，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)。硬件電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但其瞬態(tài)響應(yīng)比較快，調(diào)節(jié)時(shí)間短。采用軟硬件聯(lián)合方式使系統(tǒng)同時(shí)具有來(lái)那個(gè)軟硬件結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。不僅精度高，而且反應(yīng)快，電路結(jié)構(gòu)也較簡(jiǎn)單。過流保護(hù)直接用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，，當(dāng)單片機(jī)采樣到的電流信號(hào)超過此值時(shí)，單片機(jī)輸出高電平到芯片SG3525的保護(hù)關(guān)斷10腳（Shutdown端）功能，此腳接高電平時(shí)控制器輸出被禁止（）。過2秒后，如果采樣到的電流信號(hào)減小，則輸出低電平到10腳，電路恢復(fù)工作。影響系統(tǒng)效率的因素主要有Buck開關(guān)器件損耗、電感儲(chǔ)能損耗、整流二極管損耗、輔助電源損耗、線性調(diào)整電路和數(shù)字控制電路損耗。因此本系統(tǒng)提高效率的方法有：合理選擇電路結(jié)構(gòu)；適當(dāng)降低開關(guān)頻率（20kHz），并設(shè)計(jì)緩沖網(wǎng)絡(luò)降低開關(guān)管關(guān)斷損耗；加大主回路電流容量；選擇導(dǎo)通壓降小的二極管，并采用多個(gè)并聯(lián)的方法來(lái)降低二極管導(dǎo)通損耗；合理選擇磁芯和繞線規(guī)格，避免磁飽和并降低銅損；減小或消除系統(tǒng)中的振蕩；降低控制電路部分的消耗、提高輔助電源的效率；合理分配各模塊的效率損失。損耗計(jì)算如下：MOS管的損耗PD=PDon+PDS=I2LOADRDS_ON＋(CRSSU2INfSWILOAD)/IGATE=；儲(chǔ)能電感損耗PIND=PCu+PFe=I2rmsRe＋ΔBm；整流二極管損耗PDIOD=IDCUF；輔助電源損耗PS=PDS＋PDIOSS。3 有關(guān)培訓(xùn)的一些建議 歷屆“電源類”賽題的主要知識(shí)點(diǎn)從歷屆“電源類”賽題來(lái)看，主攻“電源類”賽題方向的同學(xué)需要了解：l 變頻電源、PWM開關(guān)電源等工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路組成l AC電源變壓器的設(shè)計(jì)與制作l 高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)與制作l AC整流和濾波電路設(shè)計(jì)與制作l 斬波和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與制作l 逆變和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與制作l 電流、電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)與制作l 過流和過壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)與制作l 真有效值檢測(cè)電路設(shè)計(jì)與制作l ADC和DAC電路設(shè)計(jì)與制作l DCDC升壓型開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)與制作l DCDC降壓型開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)與制作l 直流穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)與制作l 單片機(jī)、FPGA、ARM最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)與制作l 微控制器外圍電路（顯示器、鍵盤、開關(guān)等）的設(shè)計(jì)與制作：“電源類””賽題中所涉及到的一些知識(shí)點(diǎn)，對(duì)有些專業(yè)的同學(xué)來(lái)講，在專業(yè)課程中是沒有的，需要自己去搞清楚。這一點(diǎn)很重要。理論用來(lái)指導(dǎo)行動(dòng)。沒有理論基礎(chǔ)，盲人摸象，行動(dòng)一定會(huì)有困難。另外，“電源類””賽題的實(shí)踐性要求很強(qiáng)，例如變壓器的制作，特別是高頻開關(guān)電源變壓器的制作，電感線圈的設(shè)計(jì)與制作、PCB的設(shè)計(jì)等。站在岸上是學(xué)不會(huì)游泳的。建議從簡(jiǎn)單的基本的電源類電路做起，如簡(jiǎn)單的直流穩(wěn)壓器電路等，通過一些作品的制作和訓(xùn)練，找到感覺。（1）主攻“電源類”賽題方向的同學(xué)在訓(xùn)練過程中，以歷屆賽題為基礎(chǔ)，可以選擇已經(jīng)出現(xiàn)過的一些賽題做一些訓(xùn)練；主要訓(xùn)練這類賽題的共用部分，如變壓器、ACDC、濾波器、微控制器、ADC/DAC等。完成相關(guān)模塊的設(shè)計(jì)制作，以備競(jìng)賽需要。（2）主攻“電源類”賽題方向的同學(xué)還應(yīng)該注意與電源特性和指標(biāo)參數(shù)測(cè)試有關(guān)的儀器儀表的設(shè)計(jì)與制作。一些賽題會(huì)包含這方面的內(nèi)容，如2007年本科組E題“開關(guān)穩(wěn)壓電源”要求測(cè)量輸出電壓和電流。（3）主攻“電源類”賽題方向的同學(xué)還可以發(fā)揮自己的想象力，考慮一下：① 還有哪些“電源類”的賽題在競(jìng)賽中沒有出現(xiàn)過？如大功率電流源等，在培訓(xùn)過程中事先訓(xùn)練一下。② 已經(jīng)出現(xiàn)過的一些賽題，考慮一下哪些可能會(huì)在放大器、儀器儀表、高頻、控制類等賽題中出現(xiàn)？③ 已經(jīng)出現(xiàn)過的一些賽題，考慮一下哪些可能在指標(biāo)和功能方面會(huì)有哪些變化？如效率、穩(wěn)定度、輸出功率等。④ 已經(jīng)出現(xiàn)過的一些賽題，考慮一下哪些可能在制作要求方面會(huì)有哪些變化？（4）主攻其他方向的同學(xué)，也需要注意電源的設(shè)計(jì)