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1、,2013年5月,2013年电子设计竞赛-电源设计培训,全国大学生电子设计竞赛特点稳压电源设计与教学之本直流稳压电源设计基础集成直流稳压电源设计开关直流稳压电源设计稳压电源参数指标测试方法历年电源类题目分析电源类题目训练建议,目录,竞赛关键是用四天三夜时间半封闭完成一件作品！,挑战杯：开放制作、一年时间,嵌入式：开放制作、4个月时间,机器人：开放制作、超过3个月时间,其他：开放制作、超过3个月时间,专家命题,封闭制作,教学内容,1、全国大学生电子设计竞赛特点,电源类,信号源类,通信类,放大器类,数据处理类,自动控制类,仪器仪表类,适应电类各专业学生,1、全国大学生电子设计竞赛特点,题目特色,本
2、次培训主旨,2、稳压电源设计与教学之本,学生对功率概念相对淡薄,对电源理解不深，生活中用电器的供电常用“端电压”描述,如说到干电池，常常用几伏、几号表达电池容量，较少使用安培小时概念,谈到工作实验室供电，常说220、380、很少知道配电容量，虽然有“限电”概念，但大多局限在学生宿舍内用电。,电工原理,电子技术,电力电子,自动控制,电路分析,电磁场,模电,数电,通信电路,高频电路,微机原理,电机拖动,题目主线要依托到本科生开设的电类主要课程中的一个或几个具体知识点上。,2、稳压电源设计与教学之本,可编程逻辑器件,电源分类线性稳压电源开关稳压电源充电泵转换器类型选择稳压电源性能指标,3、直流稳压电
3、源设计基础,电源是提供电能的装置,（1）电源分类,参数调整（谐振）型,自耦（变比）调整型,开关型交流稳压电源,线性稳压电源,开关稳压电源,交流稳压电源,直流稳压电源,重点,分类,（2）线性稳压电源,应用,要求极低纹波和噪声的射频或高精度模拟（测量非常小的电压）电路VIN 和 VOUT 的压差极小的应用需要一个精确调节电压的应用要求针对负载的快速变化实现快速瞬态响应的 FPGA 或多内核处理器,缺点,在 VINVOUT 的情况下效率偏低，因而需要使用一个较大的供电电源利用稳压器产生功率 (VIN VOUT) * IOUT 通过稳压器耗散，通常需要一个散热器VOUT 将始终低于 VIN,优点,低输
4、出纹波和噪声面对大负载变化，可在 VOUT 上实现快速瞬态响应低成本（至少由于低功耗的原因）极少的外部组件使得线性稳压器易于设计由于线性稳压器不会将电流接入电感器，因此无需担心 EMI 问题易于实现短路保护,（3）开关稳压电源,应用,要求高效率（输入功率与输出功率之差极小） 的应用具有极高环境温度的应用，如：工业和汽车VIN 远远高于 VOUT 的应用电源可用空间受限（小面积）的应用要求高输出功率的应用,缺点,需要将电流接入电感器及从电感器接出，因此会：产生电磁干扰 (EMI)导致输出对负载瞬变的响应速度减慢产生较高的输出纹波和噪声更多的外部组件和设计变量使开关电源难于设计,优点,由于稳压是通
5、过将能量转入电感或从电感器转出来完成的（而不是通过稳压器来消耗功率），因此：可获得较高的效率通过稳压器耗散的功率较低，故只需一个较小的散热器即可。开关电源拓扑允许 VOUT 高于、低于或等于 VIN高功率/cm2可允许较宽的输入电压范围可提供隔离（利用变压器）可提供多个输出（利用变压器）,（4）充电泵,应用,需要一个低输出电流的应用具有中等的输入-输出电压差的应用存在空间限制的应用,缺点,将电容器接入电路及从电路接出会产生电磁干扰 (EMI)由于充电泵的输出取决于电容器的充电和放电，因此其电流供应能力受到限制,优点,中等效率由于充电泵将电容器两端的电压接入输出端及从输出端接出，因此：无需电感器
6、VOUT 可高于、低于和等于 VIN较少的组件使充电泵更易于设计,转换器类型的选择取决于电源设计的优先考虑因素。,（5）转换器类型选择,电压调整率（线性调整率）电流调整率（负载调整率）纹波抑制比纹波电流或电压VP-P输出噪声电压输出阻抗最大输入电压输出电压偏差最大输出电流,（6）稳压电源性能指标,直流稳压电源是电子设备的能源电路，关系到整个电路设计的稳定性和可靠性，是电路设计中非常关键的一个环节。本节重点介绍三端固定式（正、负压）集成稳压器、三端可调式（正、负压）集成稳压器以及DC-DC电路等组成的典型稳压电路设计。,4、集成直流稳压电源设计,直流电源的组成及各部分的作用,电源变压器: 将交流
7、电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路: 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。,三端固定式正压集成稳压器,国内外各厂家生产的三端（电压输入端、电压输出端、公共接地端）固定式正压稳压器均命名为78系列，该系列稳压器有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。其中78后面的数字代表稳压器输出的正电压数值（一般有05、06、08、09、10、12、15、18、20、24伏共9种输出电压）。78系列稳压器最大输出电流分100mA、500mA、1.5A三种，以插入78
8、和电压数字之间的字母来表示。插入L表示100mA、M表示500mA，如不插入字母则表示1.5A。此外，78（L、M）的后面往往还附有表示输出电压容差和封装外壳类型的字母。常见的封装形式有TO-3金属和TO-220的塑料封装。,正输入电压UI加到78XX的输入端，公共端接地，其输出端便能输出芯片标称正电压UO。实际应用芯片输入和输出端与地之间除分别接大容量滤波电容外，通常还需在芯片引出脚根部接小容量（0.1F10F）电容Ci、Co到地。Ci用于抑制芯片自激振荡，Co用于压窄芯片的高频带宽，减小高频噪声。Ci和Co的具体取值应随芯片输出电压高低及应用电路的方式不同而异。,三端固定式正压集成稳压器,
9、三端固定式负压稳压器命名为79系列，79前、后的字母、数字意义与78系列完全相同。图中芯片输入端加负输入电压UI，公共端接地，输出端得到标称的负输出电压UO。电容Ci用来抑制输入电压UI中的纹波和防止芯片自激振荡，Co用于抑制输出噪声。D为大电流保护二极管，防止在输入端偶然短路到地时，输出端大电容上储存的电压反极性加到输出、输入端之间而损坏芯片。,三端固定式负压集成稳压器,三端可调式集成稳压器,三端可调式稳压器种类繁多，如正压输出的317（217/117）系列、123系列、138系列、140系列、150系列；负压输出的337系列等。LM317系列稳压器能在输出电压为1.25V37V的范围内连续
10、可调，外接元件只需一个固定电阻和一个电位器。其芯片内也有过流、过热和安全工作区保护。最大输出电流为1.5A。,典型电路如图所示。其中电阻R1与电位器RP组成电压输出调节电位器，输出电压UO的表达式为： UO=1.25（1+Rp/R1）,三端可调式集成稳压器,正、负输出稳压电源,正、负输出稳压电源能同时输出两组数值相同、极性相反的恒定电压。,正、负输出稳压电源,三端集成稳压器应用,三端集成稳压器应用,三端集成稳压器应用,三端集成稳压器应用,三端集成稳压器应用,三端集成稳压器应用,三端集成稳压器应用,三端集成稳压器应用,三端集成稳压器应用,图为LM117和模拟开关CC4051构成的程控电源。,三位
11、并行数字码取不同值时，电源可输出2V、5V、12V、15V、18V、24V、30V等8种电压值。,三端集成稳压器应用,高压输入的解决方案,三端集成稳压器应用,高压输出电压的解决方案,三端集成稳压器应用,三端集成稳压器应用注意事项,在一般应用的情况下主要考虑：纹波抑制能力的改善与旁路电容器、输出电压精度、输入电压、布线方式造成的负载效应与减小措施、反向电压保护、工作温度、散热与绝缘、安装方式。（1）纹波抑制能力的改善与旁路电容器,小电流和需要抑制瞬变电压的集成稳压电路,三端集成稳压器应用注意事项,（2）输入电压的选择 集成稳压器的输入电压范围很宽，从输出电压加上最小输入输出压差到35V（7824
12、、7924以及LM317/LM337的40V）最高输入电压，集成稳压器都能正常工作。,固定输出电压的集成稳压器的输入电压,三端集成稳压器应用注意事项,（3）布线方式造成的负载效应与减小措施 铜箔应尽可能短，同时尽可能的宽，覆焊锡以增加导线截面积，引出线应尽可能的短，并且引线的截面积不应低于0.35mm2，长距离的则不应低于0.5mm2，GND或调整端应接在电路的输出端，甚至是负载端。,三端集成稳压器应用注意事项,（4）反向电压保护,集成DC/DC变换器DC/DC变换器拓扑结构及演化非隔离式DC/DC变换器隔离式DC/DC变换器,5、开关直流稳压电源设计,集成DC/DC变换器-MC34063,M
13、C33063A/MC34063A/MC35063A是单片DC/DC变换器控制电路，只需配用少量的外部元件，就可以组成升压、降压、电压反转DC/DC变换器。该系列变换器的电压输入范围为340V，输出电压可以调整，输出开关电流可达1.5A；工作频率可达100kHz，内部参考电压精度为2。极性反转效率最高65，升压效率最高90，降压效率最高80，变换效率和工作频率、滤波电容等成正比。输出功率达不到要求的时候，比如1A时，可以通过外接扩功率管的方法扩流。,集成DC/DC变换器-MC34063,集成DC/DC变换器-MC34063,MC34063构成的充电器,MC34063构成的开关型恒流源,外围元件标
14、称含义和它们取值的计算公式：Vout1.25V（R1R2）Ct：决定内部工作频率。Ct=0.000004*TonIpk=2*Iomax*T/toff Rsc：决定输出电流，Rsc0.33IpkLmin(电感)：Lmin(ViminVces)*Ton/Ipk Co：决定输出电压波纹系数，CoIo*ton/Vp-p固定值参数：Vces=1.0V；ton/toff=(Vo+VfVimin)/(ViminVces）；Vimin:输入电压不稳定时的最小值；Vf=1.2V快速开关二极管正向压降,集成DC/DC变换器-MC34063,集成DC/DC变换器-MC34063,在实际应用中的注意事项： 1、快速开
15、关二极管可以选用IN4148，在要求高效率的场合必须使用 IN5819(贴片为SS14)； 2、34063能承受的电压，即输入输出电压绝对值之和不能超过40V，否则不能安全稳定的工作； 3、输出功率达不到要求的时候，比如1A时，可以通过外接扩功率管的方法扩大输出电流，三极管、双极型或MOS管均可，一般的芯片PDF资料上都会有典型扩流电路介绍。,集成DC/DC变换器-MC34063,集成DC/DC变换器-LM2575/6/7,LMX575系列分LM1575、LM2575及LM2575HV三种降压芯片，其中LM1575为军品级，LM2575为标准电压，LM2575HV为高电压输入产品。每一种产品系
16、列均提供3.3V、5V、12V、15V及可调（ADJ）等多个电压等级。最大输出电流：1A；最大输入电压： LM1575/LM2575为45V； LM2575HV为63V；转换效率：75%88%LM2576为3A的降压芯片，LM2577为3A的升压芯片。,集成DC/DC变换器-LM2575/6/7,集成DC/DC变换器-L4960,非隔离式DC/DC变换器,一般结构：,理想直流变换应具备的性能,1.输入输出端的电压均为平滑直流，无交流谐波分量；2.输出阻抗为零；3.快速动态响应，抑制能力强；4.高效率、小型化。,非隔离式DC/DC变换器,输入电压,电源系统设计指标,Vin(nom)：正常输入电压
17、Vin(max)：最高输入电压Vin(min)：最低输入电压频率：直流，50，60，400Hz等,浪涌电压：输入电压超出Vin(max)的时间段，电源必须能够承受这个浪涌电压，正常工作。瞬态电压：具有很高的电压尖峰（包括正与负尖峰），这是输入电源系统的特征。,输出电压,Vout(rated)：额定输出电压（理想输出电压）Vout(min)：保证负载不被切断的最小输出电压。Vout(max)：保证负载线路正常运行的最大输出电压。Vout(abs)：负载遭到破坏时的极限电压。,电压纹波：这是峰-峰值电压，它的频率和大小应该能被负载所接受。,非隔离式DC/DC变换器,输入电流,电源系统设计指标,Ii
18、n(max)：最大平均输入电流。它的最大极限值可以由安全管理机构来定义。,输出电流,Iout(retad)：额定输出电流。,Iout(min)：在正常运行情况下，最小的输出电流。Iout(max)：负载的瞬态承受的输出电流。Isc：负载短路时的最大极限电流。,非隔离式DC/DC变换器,电压调整率,电源系统设计指标,负载调整率,非隔离式DC/DC变换器,输入电压变化时，输出电压的变化率，即：,电压调整率=（最高输出电压-最低输出电压）/额定输出电压 X100%,负载电流从半载到额定负载时，输出电压的变化率，即：,负载调整率=（满载时输出电压-半载时输出电压）/额定负载时输出电压 X100%,总效
19、率,决定系统有多少热量产生，以及在结构设计时是否考虑采用散热片。总效率=输出功率/输入功率 X100%,Vin,Vo,L,Io,S,D,Vin,Vo,D,L,Io,S1,D,S2,Vin,Vo,D,L,Io,S,Vo=Vin *D/(1-D),Vo=Vin *D,Vo=Vin /(1-D),VoVin, 降压型电路,VoVin, 升压型电路,VoVin 当D0.5 升降压型电路,三种基本的非隔离开关电源,非隔离式DC/DC变换器,非隔离式DC/DC变换器-UC384X,UC384X系列电流型PWM控制器的功能基本相同，仅启动和关闭电压不同，3842、3844启动和关闭电压为16V和10V，UC
20、 3843、UC 3845为8.5V和7.6V。,UC384X datasheet,1997年试题中DC/DC设计实例,1、电路结构的确定,题目无电气隔离要求，从变换器的效率考虑，选用非隔离的升压型变换器结构。,2、开关频率的设定,如果开关管选用MOSFET开关频率可以选择50100kHz，在电子设计竞赛中最好选择50kHz左右。对应的定时电容可以选择2.2nF，定时电阻可以选择10k。,UC3843,非隔离式DC/DC变换器-UC384X,3、电感量的确定,为了尽可能的降低输出电压纹波和尖峰电压，变换器工作方式为电流断续型，即电感电流是断续的。输出电流需要满足100mA，对应的输出功率为10
21、W。,电感电流峰值：,电感的电感量：,如果开关管的最大导通占空比为0.5，则对应的电感释放储能得相应的“占空比”d为：,电感电流有效值：,非隔离式DC/DC变换器-UC384X,电感电流有效值：,可以选用导线电流密度4A/mm2，对应的导线截面积约为0.4mm2，线径为0.7mm，也可以采用7股线径为0.27mm的漆包线绞成一股，其导线截面积与单股0.7mm截面积相同，也样绕制起来比较方便。,4、电感的磁芯选取与绕组的绕制,最容易买到并且最便宜的磁芯就是芯柱矩形的EI、EE磁芯。在这个设计实例中可以采用EI22或EI25规格磁芯。由于小型磁芯的骨架相对脆弱，最好是选择7股0.27mm漆包线绞成
22、一股绕制线圈为好。,5、电感匝数与磁路气隙,电感绕组的匝数可以按变压器绕组的匝数选择，这时需要磁芯的工作状态下最大磁感应强度和磁芯有效截面积的数据。这个工作状态下的最大磁感应强度在50kHz频率下可以250mT，EI22磁芯的有效截面积为0.42Cm2，EI25磁芯的有效截面积为0.41Cm2。,电感绕组匝数,磁路气隙,取整数9匝,可以采用中心柱和编柱同时留气隙的方式，即在E型磁芯与横条之间垫上一个厚度为0.1mm质地比较硬的绝缘材料（如0.1mm的青壳纸）即可。,非隔离式DC/DC变换器-UC384X,6、DC/DC变换器完整电路,电路的输入旁路电容器、电感、开关管、输出二极管、输出滤波电容
23、器应尽可能靠近，在此基础上控制电路要尽可能靠近开关管。,7、电路板图设计,非隔离式DC/DC变换器-UC384X,非隔离式DC/DC变换器-TL494,TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关 电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式。,TL494 datasheet,非隔离式DC/DC变换器-SG3525A,SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过
24、流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。,SG3525 datasheet,DC/DC变换器拓扑结构及演化,DC/DC变换器拓扑结构及演化,DC/DC变换器拓扑结构及演化,DC/DC变换器拓扑结构及演化,例如：Boost变换器原理及演化,三种基本的隔离开关电源,Vin,Vo,S,Lm,D,Vin,Vo,L,S,D1,D2,Vin,Vo,L,S1,D1,D2,S2,正激型变换器,反激型变换器,桥式变换器,隔离式DC/DC变换器,Vgs,ID,Vds,D,1-D,T,Ip,Io,Vin,Vin+nVo,根据变压器的伏秒平衡：,Im,Io,Vin,Vo,G,DS,Lm,D,n:1,Co,VL,V
25、in,-nVo,ID-p,反激变换器（Flyback）工作原理,电流连续模式,Vgs,ID,Vds,D,1-D,T,Io,Vin,Vin+nVo,根据变压器的伏秒平衡：,Im,Io,Vin,Vo,G,DS,Lm,D,n:1,Co,VL,Vin,-nVo,ID-p,-nVo,根据能量守恒：,反激变换器（Flyback）工作原理,电流断续模式,反激变换器（Flyback）工作原理,Vgs,ID,Vds,D,1-D,T,Ip,Io,Vin,Vin+nVo,Im,Vr,VL,Vin,-nVo,ID-p,Vr=？,Io,Vin,Vo,G,DS,Lm,D,n:1,Lk,Co,反激变换器（Flyback）工
26、作原理,Io,Vin,Vo,G,DS,Lm,D,n:1,Lk,Co,Vc,Vc,R,Ploss=(Vc-Vin)2/R,Ploss=(Vc)2/R,反激变换器（Flyback）工作原理,Vgs,ID,Vds,D,1-D,T,Ip,Io,Vin,Vin+nVo,Im,Vr,ICo,ID-p,Vo=？,Io,Vin,Vo,G,DS,Lm,D,n:1,Lk,Co,-Io,Vo,根据Co在DT时间的基本方程：,反激变换器（Flyback）工作原理,Vin,Vo1,G,Lm,Np,Lk,Vo2,Ns2,Ns1,多路输出的反激变换器：,减小交叉调整率的措施：尽量减少两个绕组之间的漏感。在辅助输出一路中加入
27、尖峰抑制器（饱和电感） 主路输出工作于电流连续模式。采用双路加权反馈的控制方式,Vin,Vo1,G,Lm,Np,Lk,Vo2,Ns2,Ns1,缺点：输出纹波电流大。输出控制特性非线性。通常需要辅助的吸收回路。转换效率较低。,优点：电路简单。输入电压范围广。 容易实现多路输出。,反激变换器（Flyback）特征总结,桥式变换器（ Bridge Converter）,Vin,Vo,L,S1,D1,D2,S2,半桥变换器,Vin,Vo,L,S1,D1,D2,S2,全桥变换器,Vin,Vo,L,S1,D1,D2,S2,推挽变换器,Vin,Vo,S1,D2,S2,半桥变换器（倍流整流）,桥式变换器（ B
28、ridge Converter）,Vin,Vo,Lo,S1,D1,D2,S2,n:1+1,Lm,Lk,Ip,Io,C,B,VT,S1,IL,Vds1,D,Ip,VT,Io,Vin/2n,-Vin/2n,Im,Vin,IL,t0,t1,t2,t3,t4,t5,S2,D,t6=t0,T/2,T/2,Vc,t0, t1,变换器正半周工作，Ip, Im增加；Vc减少。,C1,C1,桥式变换器（ Bridge Converter）,Vin,Vo,Lo,S1,D1,D2,S2,n:1+1,Lm,Lk,Ip,Io,B,VT,S1,IL,Vds1,D,Ip,VT,Io,Vin/2n,-Vin/2n,Im,Vi
29、n,IL,t0,t1,t2,t3,t4,t5,S2,D,t6=t0,T/2,T/2,Vc,C1,C,C1,Vin/2,t1, t2,S1关断，变压器副边续流，原边漏感能量被S2体二极管钳位。,桥式变换器（ Bridge Converter）,Vin,Vo,Lo,S1,D1,D2,S2,n:1+1,Lm,Lk,Ip,Io,B,VT,S1,IL,Vds1,D,Ip,VT,Io,Vin/2n,-Vin/2n,Im,Vin,IL,t0,t1,t2,t3,t4,t5,S2,D,t6=t0,T/2,T/2,Vc,C1,C,C1,Vin/2,t2, t3,S1，S2全部关断，变压器副边续流，Lm保持不变，D
30、1,D2电流之差为Lm。,桥式变换器（ Bridge Converter）,Vin,Vo,Lo,S1,D1,D2,S2,n:1+1,Lm,Lk,Ip,Io,A,B,S1,IL,Vds1,D,Ip,VT,Io,Vin/2n,-Vin/2n,Im,Vin,IL,t0,t1,t2,t3,t4,t5,S2,D,t6=t0,T/2,T/2,Vin/2,VT,Vc,t3, t4,变换器负半周工作，Ip, Im减少；Vc增加。,桥式变换器（ Bridge Converter）,Vin,Vo,Lo,S1,D1,D2,S2,n:1+1,Lm,Lk,Ip,Io,A,B,S1,IL,Vds1,D,Ip,VT,Io,
31、Vin/2n,-Vin/2n,Im,Vin,IL,t0,t1,t2,t3,t4,t5,S2,D,t6=t0,T/2,T/2,Vin/2,VT,Vc,t4, t5,S2关断，变压器副边续流，原边漏感能量被S1体二极管钳位。,桥式变换器（ Bridge Converter）,Vin,Vo,Lo,S1,D1,D2,S2,n:1+1,Lm,Lk,Ip,Io,B,VT,S1,IL,Vds1,D,Ip,VT,Io,Vin/2n,-Vin/2n,Im,Vin,IL,t0,t1,t2,t3,t4,t5,S2,D,t6=t0,T/2,T/2,Vc,C1,C,C1,Vin/2,t5, t6,S1，S2全部关断，变
32、压器副边续流，Lm保持不变，D1,D2电流之差为Lm。,t0, t1,t1, t3,桥式变换器（ Bridge Converter）,Vin,Vo,Lo,S1,D1,D2,S2,n:1+1,Lm,Lk,Ip,Io,B,VT,C1,C,C1,缺点：变压器结构复杂。输入电压范围较小。,优点：变压器正负工作，不需要辅助的复位电路。输出纹波频率是开关频率的两倍，所需电感量小。线性输出控制特性。电路平衡对称。,基于TL494的推挽变换器应用电路,输入电压调整率,6、稳压电源参数指标测试方法,1. 测试说明：输入电压调整率又叫线路调整率、源效应，在输出满载的情况下，输入电压变化会引起输出电压波动，测试输入
33、电压在全输入范围内变化时输出电压偏离输出整定电压的百分比，一般要求电压调整率不超过0.1%。 2. 测试仪器：AC SOURCE，万用表，可调负载装置。 3. 测试方法：1）设置可调负载装置，使电源满载输出；2）调节AC SOURCE，使输入电压为下限值，记录对应的输出电压U1；3）增大输入电压到额定值，记录对应的输出电压U0；4）调节输入电压为上限值，记录对应的输出电压U2；5）按下式计算：电压调整率=(U- U0)/U0100 式中：U为U1和U2中相对U0变化较大的值。,负载调整率,6、稳压电源参数指标测试方法,1.测试说明：输入电压为额定值时，因变换负载引起的输出电压波动不应超过规定的
34、范围。 2.测试仪器：AC SOURCE，万用表，可调负载装置。 3.测试方法：1）输入电压为额定值，输出电流取最小值，记录最小负载量的输出电压U1；2）调节负载为50%满载，记录对应的输出电压U0；3）调节负载为满载，记录对应的输出电压U2；4）负载调整率按以下公式计算： 负载调整率=(U- U0)/U0100 式中：U为U1 和U2中相对U0变化较大的值。,效率,电源效率= 输出功率/输入功率,直流输出功率仅等于电压与电流的乘积，只需两个万用表即可测量出大小。我们将用一个高精度,万用表来测量输出到负载的电流，用一个标准万用表来测量电源的输出电压。,直流输出功率仅等于电压与电流的乘积，只需两
35、个万用表即可测量出大小。我们将用一个高精度,万用表来测量输出到负载的电流，用一个标准万用表来测量电源的输出电压。,直流输出功率仅等于电压与电流的乘积，只需两个万用表即可测量出大小。测试方法：用一个高精度万用表来测量输出到负载的电流，用一个标准万用表来测量电源的输出电压。,由于交流系统中电压与电流之间存在相位角，因此不能简单地将,RMS,输入电压与,RMS,输入电流,相乘来计算输入功率。只有电源消耗的有功功率,(,P,),才是必须考虑的。,由于交流系统中电压与电流之间存在相位角，因此不能简单地将RMS输入电压与RMS输入电流相乘来计算输入功率。只有电源消耗的有功功率(P)才是必须考虑的。,6、稳
36、压电源参数指标测试方法,=Po/Pin100%=(UoIo)/Pin100%,纹波电压/纹波电流,6、稳压电源参数指标测试方法,一般我们测纹波电压的时候都是采用一个47uf的电容并上一个0.1uf的电容再并联上你所测量的滤波电容上，用电压探头交流档测电压，一般是在100mv数量级上，同时电源要加上负载。,测纹波电流直接用电流计测流过滤波电容上的电流即可。一般在1A数量级。,纹波是输出直流电压的波动，纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰-峰值。,目前测量纹波电压是利用宽频带示波器来测量的方法，它能精准地测出纹波和噪声电压值。,失真度THD,6、稳压电源参数指标测试方法,定义：全部谐波能量与基波能量
37、之比的平方根值。对纯电阻负载，其定义为全部谐波电压(或电流)有效值与基波电压（或电流）有效值之比，即,测试仪器：频谱分析仪、失真度仪。,7、历年电源类题目分析,2011年A题解读与分析2009年A题解读与分析2007年E题解读与分析2005年D题解读与分析,2011年A题,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（见图1）。,图1 两个DC/DC模块并联供电系统主电路示意图,2011年A题解读与分析,2011年A题体现的教学内容,题目涉及了典型的电源并联技术、DC/DC变换、用电效率、电参数检测与控制、过流保护以及相应的分流技术等知识点。,涉及电路分析
38、、模拟电子技术、电力电子技术、电气测量和自动控制等课程,2011年A题-教学体现,实验教学出现过：电工电子实验项目的一个设计性实验,某高校实验教程,2011年A题-教学体现,弄清电源并联后的现象,实验教学出现过：电工电子实验项目的一个设计性实验,2011年A题-教学体现,实验教学出现过：电工电子实验项目的一个设计性实验,I1, I2,2011年A题-教学体现,2011年A题突出均流技术,主要知识点是恒压源并联供电，强调负载变化时的均流技术。,主电路示意图,2011年A题-理论分析,主电路等效示意图（此时忽略稳压电路，将端电压等效为恒值）,（3-2）,根据基尔霍夫定律,（1）,（2）,（3-1）
39、,2011年A题突出均流技术,2011年A题-理论分析,（3-2）,根据基尔霍夫定律,（1）,（2）,（3-1）,设r1 = r2 = r 做（4）+（5）且代入（3-1）得：,即：,为RL的函数。,（4）,（5）,（6）,将（3-2）代入方程（1）、（2）得：,2011年A题-理论分析,（7）,若设,则,将（7）代入（3-1）：,将（7）、（8）代入（4）、（5）,（9）,（10）,（8）,2011年A题-理论分析,（11）,若设 n=1,若设 n1,（12）,2011年A题-理论分析,竞赛中的测试参数：,设：竞赛中的测试参数：r=4 （额定功率设计）Uo=8V（稳压源要求）,2011年A题
40、-理论分析,如何根据电流比且保证端电压8V条件下，调整电动势E1、E2的问题,根据题意，可设计两个降压型DC/DC变换器模块。,运用课堂讲授的PWM技术，制作模块,运用电压、电流取样技术制作检测环节,运用微处理器技术，设计控制器，根据电压、电流检测结果，控制PWM，达到闭环调整电源电动势的目的。,2011年A题-实现方案,基础性,相关性,实践性,先进性,体现电工电子的教学内容,体现课程之间联系与贯通,体现实验教学的基本知识,倡导将当代先进的电工电子技术融入教学,2011年A题-命题主导,命题主导在于运用基础教学内容，尝试新型的均流方式,基本部分：基础教学内容,发挥部分：强调专业性,研制报告：强
41、调理论指导,调试测试：合理测试方法与仪器,题目形式,2011年A题-命题主导,命题越来越难，压力越来越大,短时间社会力量无法复制,理论知识工程可用,优秀学生能做出来,制作设备和仪器能弄得到,预先设想,2011年A题-命题主导,电源并联技术理论问题,题目希望参赛学生能够结合基于PWM技术的开关电源特点，充分考虑用能效率、稳压供电、检测负载变化、合理配置子电源模块工作以及主动控制等系统性能，综合设计并制作出既满足并联组合供电要求，又相对高效、廉价、安全的作品。,明确是稳压源而非恒流源,2011年A题-命题主导,可主动设置分流比的分流技术,根据具体工程需要，如太阳能展开板的迎光状况、模块老化不均现象
42、、共因失效等因素，根据负载大小，可主动设置分流比、分段控制电流。,2011年A题-命题主导,突出强电的“功率”概念，与弱电系统在器件、调试等区别,题目希望参赛学生通过调试作品，能够掌握供电系统的基本电路制作工艺、联调技能以及测试技术，观察负载变化给供电系统带来的输出电压波动等工程现象。,题目希望参赛学生注意大功率电源与弱电信号在布线、接线、仪器使用与测试等方面的不同。,题目希望选择本题的非电力电子类专业参赛学生能够运用电工电子基础理论，联系实际，理解开关电源的机理；正确筛选元器件，设计系统。,2011年A题-命题主导,单DC/DC模块原理电路示意图,综合运用知识的系统设计能力,电力电子,检测技
43、术,继电保护,微处理器技术,自动调节技术,放大与滤波,2011年A题-命题主导,A题作品完成情况,A题作品完成情况,各赛区推荐A题作品200个队,比选后复测作品52个队,其中功能、性能指标优良的约10个队,产生了瑞萨杯,西电新闻：“日前，2011年第十届全国大学生电子设计竞赛评审结果揭晓，由我校谢楷任指导教师，邵明绪、孙永强、杨福荣3位同学组成的竞赛团队，戮力同心，在众多参赛队伍中脱颖而出，获得该项赛事最高奖项“瑞萨杯”，取得历史性突破。”,A题作品完成情况,命题中存在问题,题目回避了纹波问题,未说明测试导线及电流表内阻影响,减小纹波是开关电源稳压特性的重要指标。,负载电阻较小，引线会影响结果
44、。,Buck变换器原理图及不同开关状态下的等效电路图,不同状态下的轮流给负载供电会导致输出电压的纹波与尖峰,A题作品完成情况,A题作品完成情况,作品中存在主要问题,暴露的问题：基本原理、基本计算等教学内容训练不够,设计报告：缺少原理性论证与定量的推导计算,大部分参赛队的报告对电动势变化、负载2欧姆时额定功率输出、内阻测试、均流计算、自动分配电流的原理阐述不足。,A题作品完成情况,作品中存在问题,制作部分：按要求自动分配电流存在误解,说明（3）除负载电阻为手动调整以及发挥部分（1）由手动设定电流比例外，其他功能的测试过程均不允许手动干预。,未能理解：根据负载电流要分段自动控制两个模块的电流比例。
45、,A题作品完成情况,测试中存在问题,测试：小电阻负载下电流表内阻影响问题,赛区：使用内阻较大（大于0.1欧）电流表时，将电流表内阻纳入负载避免争议。,测评表：应具体说明避免其影响的测试方法。,有条件的赛区使用电子负载。,2009年A题解读与分析,设计并制作一个光伏并网发电模拟装置。用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池，US=60V，RS=3036；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频率fREF为4555Hz；T为工频隔离变压器，变比为n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，将uF作为输出电流的反馈信号；负载电阻RL=3036。,图1 并网发电模拟装置框图,2009年A
46、题体现的教学内容,题目涉及了典型的开关电源技术、DC/DC变换、逆变技术、MPPT算法、SPWM技术、锁相环技术、电参数检测与控制、过压过流保护以及相应的光伏发电并网技术等知识点。,涉及电路分析、模拟电子技术、电力电子技术、 单片机技术、电气测量和自动控制等课程,2009年A题解读与分析,系统主要由DC-DC、DC-AC、并网控制电路和保护电路等部分组成。逆变部分采用全桥逆变，用自然采样法完成SPWM的调制或者DDS AD9851；并网部分采用单片机处理实现反馈信号频率和相位的跟踪以完成并网。反馈部分分为两级，第一级反馈实现最大功率点跟踪功能，第二级反馈利用电压控制模拟电位器使输出电压稳定，形
47、成了双重反馈环节，增加了系统的稳定性。频率和相位跟踪功能的实现可以采用单片机或者锁相环等方法。,2009年A题解读与分析,2007年E题解读与分析,设计并制作如图所示的开关稳压电源。,2007年E题,输出电压UO可调范围：30V36V；最大输出电流IOmax：2A；U2从15V变到21V时，电压调整率SU0.2%（IO=2A）；IO从0变到2A时，负载调整率SI0.5%（U2=18V）；输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；DC-DC变换器的效率85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.50.2A；,
48、要求,升压型变换器的解决思路,2007年E题解读与分析,开关频率为50kHz，对应的开关周期为20s，占空比为0.45对应的开关管导通时间为9s。在最低输入电压19V时电感电流应在6.6s内时电感电流上升到7.5A。对应的电感量为18H。,电感设计,2007年E题解读与分析,可以选择EI30铁氧体磁芯，外形图如下：,EI型铁氧体磁芯骨架外形图,2007年E题解读与分析,电感匝数,磁路气隙,2007年E题解读与分析,推挽变换器的解决思路,采用推挽主电路结构，MOSFET作为开关管，SG3525A作为控制芯片，可以直接反馈控制，也可以采用光电隔离反馈控制。开关频率选50kHz；最大占空比选0.8。
49、,2007年E题解读与分析,变压器参数设计,变压器设计的第一步就是选择磁芯，根据TDK磁芯数据，可以在50kHz条件下能够具有72W输出功率的磁芯可以有EI28、EI30、EER28等。最好是选择EER28磁芯。,2007年E题解读与分析,变压器的磁感应强度B选择2500GS（高斯）。,变压器初级绕组匝数,取8匝,次级匝数,取19匝,2005年D题,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。其原理示意图如图1。,图1 原理示意图,2005年D题解读与分析,输出电流范围为20mA2A，步进1mA；,输出电流变化的绝对值输出电流值的0.1+1 mA；,纹波电流
50、0.2mA；,要求：,2005年D题解读与分析,解决方案一,软件编程复杂性？,硬件D/A的位数及响应速度？,输出精度？,输出纹波？,思考,解决方案二,2005年D题解读与分析,核心：计数器构成步进控制电路,计数器加减计数功能实现步进控制,抗干扰能力强,输出电压可调的集成稳压器做恒流源,继电器切换恒流源组合不同电流值,精度高,控制简单,2005年D题解读与分析,恒流源设计一,继电器触点J1J14分别控制2A、1A、800mA、400mA、200mA、100mA、80mA、40mA、20mA、10mA、8mA、4mA、2mA、1mA恒流源的接入。这样从1mA到2A的任何电流值都可以用上述电流源的组
