2007年开关稳压电源_国赛一等奖
2007年全国大学生电子设计竞赛一等奖作品——数字示波器
2007年全国大学生电子设计竞赛一等奖作品——数字示波器发布时间: 2007-11-27 20:28:37作者:责任编辑:数字示波器作者：黄霖宇、陈鹍、侯碧波一等奖作品摘要本数字示波器以单片机和FPGA为核心，对采样方式的选择和等效采样技术的实现进行了重点设计，使作品不仅具有实时采样方式，而且采用随机等效采样技术实现了利用实时采样速率为1MHz的ADC进行最大200MHz的等效采样。
同时系统还具有可测2mV小信号、波形存储回放、测频、触发沿选择、校准信号输出等功能。
AbstractThis digital oscilloscope takes a MCU and FPGA as the core .We made emphases on the choice of the sampling methods and the implement of equivalent sampling, as a result, our design not only has the real-time sampling mode but also can reach the highest equivalent sample rate of 200 MHz using the real-time sample rate of 1 MHz, by way of random equivalent sampling. At the same time, this system has many other functions, such as 2mV small-signal measuring, storage andre-display of waveform, measuring frequency, selective trigger edge , output of thecorrection signal and so on.一、总体方案设计1．方案比较与选择仔细分析题目要求，以实时采样速率为1MHz的ADC实现最大200MHz的等效采样，是本题的最大难点，也是设计的重点之一。
开关稳压电源(E题)
07年全国大学生电子设计竞赛电子科技大学成都学院获奖队伍论文开关稳压电源（E题）摘要本设计采用可调直流电平与三角波比较输出PWM波，控制功率开关管HUF75652G3，与铁氧体电感构成BOOST拓扑DC－DC升压主回路。
采用C8051F020单片机作为主控制器，利用其内部自带的AD完成对输出电压、电流的检测并通过DA控制PWM波产生模块完成对输出电压值的设定。
输出电压的稳定则由软件反馈控制自制PWM发生器输出脉宽变化实现。
单片机检测电流并实现过流保护，电流值正常后控制主电路恢复工作。
系统采用ZLG7290控制的键盘进行输入控制，采用128×64点阵的LCD作为输出显示，操作灵活，界面友好。
经测试，系统效率达90％，电压调整率小于0.2%，负载调整率小于0.5%，其他各项指标也都满足题目最高要求。
关键词：PWM产生，BOOST，C8051F020，软件反馈一系统核心方案论证1.1 DC-DC主回路拓扑由题意，输出电压最小值为30V，U in最大值为21×√2V，略小于30V，能判断DC-DC部分可做成升压模块。
方案一：采用电压型推挽方式加正激变压器方式升压。
升压容易实现，但控制不好会使两个开关管占空比不一致，造成单管发烫，影响效率；或死区时间达不到要求，有烧毁开关管的危险，且引入隔离变压器还会对系统及制作带来负担。
方案二：BOOST型DC-DC升压方式，如图1。
使用单开关管，能降低开关管损耗，且控制容易，电路较为简洁，但在功率较高的情况下，电感设计要求较高，经验成分多，设计不好会造成过大的冲击电流，影响效率也容易使开关管损坏。
图1 BOOST升压方案选择：根据题目要求，最大功率为70W，属于中小功率范围，可以不采用隔离变压器，故折衷考虑，采用较为简洁的方案二。
1.2 控制方案1.2.1 DC-DC模块控制方案方案一：采用集成的开关电源控制芯片，外围器件少，PWM波形精确，性能良好，但由于集成度高，功能较为固定，扩展性不强。
2007全国电子设计大赛E题获奖论文报告
题目：开关稳压电源（E题）摘要本设计综合考虑题目基本部分和发挥部分的指标要求，系统采用简单的boost 升压电路作为DC-DC变换器主电路；PWM控制器采用低压型专用集成芯片UC3843; 主开关管采用IRF540；由内置12位A/D、D/A的高性能、低功耗单片机C8051F021组成系统测控与显示单元，采用液晶显示器作为系统的状态和运行数据显示屏。
通过实际测试，作品的性能指标中，输出纹波完全达到了要求；电压调整率，整体效率，负载过流故障排除后自恢复功能，输出电压键控1V步进，电流、电压实时测量及数显功能等几项指标达均到了发挥部分要求；负载调整率也接近发挥部分指标要求。
另外，系统还增加了实时输出功率数据显示和负载过流状态下的声、光报警等实用功能。
一、引言为了满足题目发挥部分规定的电压调整率、负载调整率以及效率等几项指标要求，我们在设计中主要是尽量减少辅助控制电路的损耗。
通过单片机和脉宽调制电路来稳定输出电压，并通过单片机的控制实现对整个电路的过流保护功能，排除过流故障后，电源能自动恢复为正常工作状态。
同时，当输出电压与设定电压误差较大时，单片机能对输出电压进行一定调节，以提高负载调整率；通过单片机实现了输出电压的键盘设定和步进调整（步进为1V）。
系统具有测量和数字显示输出电压、电流的功能。
此外，还增加了实时输出功率测量与显示、在输出过流的时候系统发出声、光报警信号等功能。
二、方案论证与比较1．DC-DC主回路拓扑方案论证方案一：采用变压器升压的隔离型PWM直流－直流变换器电路，此电路效率较低，开关辐射/纹波较大，电路较复杂。
方案二：采用非隔离型BOOST升压电路，控制电路用专用集成芯片UC3843A，这种电路使用的外部原件最少、调试容易、成本低、效率高。
因此，采用此种方案。
2. 控制方法及实现方案方案一：采用电压型脉宽调制技术，产生频率固定，脉冲宽度可调整的方波脉冲，采用电压反馈环控制系统，它的反馈信息取自输出电压，用反馈电压调整控制器的输出脉冲宽度，改变脉冲占空比，实现开关电源的稳定。
2007年C题 数字存储示波器_全国大学生竞赛山东赛区组委会
数字存储示波器海军航空工程学院（烟台）史继炎何高健刘恒涛摘要本题设计一个数字存储示波器，以Xilinx公司20万门FPGA芯片为核心，辅以必要的外围电路（包括信号调理、采样保持、内部触发、A/D转换、D/A转换和I/O模块），利用VHDL语言编程，实现了任意波形的单次触发、连续触发和存储回放功能，并按要求进行了垂直灵敏度和扫描速度的挡位设置。
信号采集时，将外部输入信号经信号调理模块调节到A/D电路输入范围，经A/D转换后送入FPGA内部的双口RAM进行高速缓存，并将结果通过D/A转换送给通用示波器进行显示，完成了对中、低频信号的实时采样和高频信号的等效采样和数据存储回放。
经测试，系统整体指标良好，垂直灵敏度和扫描速度等各项指标均达到设计要求。
关键词：FPGA 实时采样等效采样一、方案选择与论证数字存储示波器系统由信号调理电路、采样保持电路、触发电路、A/D、D/A、X输出电路、Y 输出电路、控制处理器等组成。
方案一：采用80C51单片机为控制核心，其系统框图如图1。
对输入信号进行放大或衰减后，用外接触发电路产生触发信号，通过A/D转换将模拟信号转换成数字信号，再通过单片机将数据锁存至外部RAM，然后由单片机控制将数据送至D/A输出。
图1 方案一系统框图这种方案结构较为简洁，但在满足题目的实时采样频率的要求下，A/D的最高采样速度达1MHz，由普通单片机直接处理这样速率的数据难以胜任，采用高档单片机甚至采用DSP芯片，将大大增加开发的难度。
而且目前常用的外接RAM芯片时钟周期一般为40MHz～50MHz，难以达到高速数据存储的要求。
方案二：用FPGA可编程逻辑器件作为控制及数据处理的核心，外接触发电路实现触发功能，利用FPGA的层次化存储器系统结构，使用FPGA内部集成的基本逻辑功能块配置成双端口同步RAM 对采集信号进行存储，完成设计指标。
其系统框图如图2。
图2 方案二系统框图由于FPGA可在线编程，因此大大加快了开发速度。
全国大学生电子设计竞赛历届题目(整理)详解
（2）调幅收音机输入回路线圈和磁性天线；
（3）变容二极管，型号：SVC341；
（4）本振线圈；
（5）用于电调谐的锁相频率合成器集成电路，型号：LC7218（可选件）；
30
实际完成情况
50
总结报告
20
发挥部分
完成第一项
5
完成第二项
15
完成第三项
20
一、设计任务
设计一个八路数据采集系统，系统原理框图如下：
主控器能对50米以外的各路数据，通过串行传输线（实验中用1米线代替）进行采集的显示和显示。具体设计任务是：
（1）现场模拟信号产生器。
（2）八路数据采集器。
（3）主控器。
二、设计要求
1．基本要求
（1）现场模拟信号产生器：自制一正弦波信号发生器，利用可变电阻改变振荡频率，使频率在200Hz～2kHz范围变化，再经频率电压变换后输出相应1～5V直流电压（200Hz对应1V，2kHz对应5V）。
（2）八路数据采集器：数据采集器第1路输入自制1～5V直流电压，第2～7路分别输入来自直流源的5，4，3，2，1，0V直流电压（各路输入可由分压器产生，不要求精度），第8路备用。将各路模拟信号分别转换成8位二进制数字信号，再经并/串变换电路，用串行码送入传输线路。
（3）在1Hz～1MHz范围内及测量误差≤1%的条件下，进行小信号的频率测量，提出并实现抗干扰的措施。
三、评分意见
项目
得分
基本要求
设计与总结报告：方案设计与论证，理论分析与计算，电路图，测试方法与数据，对测试结果的分析
50
实际制作完成情况
50
发挥部分
07年学科竞赛获奖情况
电子商务 13 14 15
第四届浙江省大 学生财会信息化 竞赛
经贸管理分院 经贸管理分院
黄新平 温冬秋 孟向亮 孟 源
信管401 财务503 财务401 公管601 计603 广电402 广电502 广电502 广告401 广告401
童连娜 王蓉蓉 虞琳珊
信管401 财务503 财务401
王 蓉 钟艳琳 吴 迪
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章云丽
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大力士篇 书山篇 小舟篇 水果篇
寻找“无名”英雄系列
吴荔 张卓涵 叶特均
建筑402 建筑402 建筑401
郑伟琪 孙天钾 吴圣胜
建筑402 本部 建筑401
屋顶的村落
锁 拼贴城市
曾朝阳 曾朝阳 项建中 曾朝阳 曾朝阳 曾朝阳 刘骜 孟海宁 蒋山
入围奖 入围奖 入围奖 入围奖 入围奖 入围奖 省二等 省三等 优胜奖
公益类一等奖
一等奖 优秀奖 优秀奖 优秀奖
平面类三等奖
优秀奖 优秀奖 优秀奖 优秀奖 优秀奖 优秀奖 入选奖 入选奖 入选奖 入选奖 入选奖 入围奖 入围奖 入围奖 入围奖
复决审入选 复决审入选 复决审入选 复决审入选 复决审入选 复决审入选
入围奖
第十六届 金犊奖
24 25
首届浙江省大学 生建筑设计竞赛
别让贫困框住了求知的渴望
读书善思 邹红群 倪领翊 广告05 广告05 赵博 广告03
2007年全国大学生电子设计竞赛新疆赛区获奖名单
区一等奖
5
新疆师范ห้องสมุดไป่ตู้学
E开关稳压电源
裴鑫、杨斌武、于雅楠
区一等奖
6
新疆大学
D程控滤波器
徐飞、王蓉、张瑞国
区二等奖
7
新疆大学
E开关稳压电源
化云龙、余银峰、虞杨阳
区二等奖
8
新疆大学
E开关稳压电源
冯龛、石飞、韩伟
区二等奖
9
新疆师范大学
F电动车跷跷板
权建国、杨钦龙、李柯
区二等奖
10
石河子大学
21
石河子大学
F电动车跷跷板
张志林、王利刚、伍述科
区成功参赛奖
22
石河子大学
A音频信号分析仪
张天佑、宋学军、马雷
区成功参赛奖
23
塔里木大学
B无线识别装置
李伟孝、何江江、丁峰
区成功参赛奖
24
伊犁师范学院
D程控滤波器
刘鹏、秦真德、张明磊
区成功参赛奖
高职高专组：
序号
学校名称
参赛作品
参赛队员
奖项
备注
1
新疆工业高等专科学校
G信号发生器
郭年培、喜涛、 努尔艾力·图尔地
区一等奖
2
H电动车跷跷板
陈林、杨恒、聂守权
区二等奖
3
J积分式直流数字电压表
罗凯、王安平、胡亚平
区成功参赛奖
附件：
2007年全国大学生电子设计竞赛新疆赛区获奖名单
本科组：
序号
学校名称
参赛作品
参赛队员
奖项
备注
1
新疆大学
D程控滤波器
张鹏、汤俊、王永强
电子设计大赛E题开关稳压电源
（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。
2020/3/7
16
开关稳压电源（E题)—方案选择
主电路方案选择：
»单管反激式 4 »半桥逆变-整流 9 »全桥逆变-整流 3 »降压电路 1 »双Boost电路 2 » Boost电路 32 合计 51
降压电路—比较容易实施，不会出现问题
2020/3/7
21
开关稳压电源（E题)—方案选择
主电路方案选择：
双Boost电路
Uin
2020/3/7
22
开关稳压电源（E题)—方案选择
主电路方案选择
双Boost电路
• 电路结构：相当于2个升压斩波电路并联而成； • 总输出电流为2个电路单元输出电流之和，其平均
测试方法与数据
测试结果分析 电路图及设计文件 总分 实际制作完成情况
应包括的主要内容或考核要点
满分
DC-DC主回路拓扑；控制方法及实现方案； 提高效率的方法及实现方案
8
主回路器件的选择及参数计算；控制电路
设计与参数计算；效率的分析及计算；保 护电路设计与参数计算；数字设定及显示
20
电路的设计
测试方法；测试仪器；测试数据 (着重考查方法和仪器选择的正确性以及数 10 据是否全面、准确)
DC- DC
滤波
UIN 变换器
IO
UO
R
显示 CPU 控制电路等
控制电源
➢ 开关电源 ➢ 7805等
➢ 开关电源中控制电源
2020/3/7
42
开关稳压电源（E题)—过流保护
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开关稳压电源作者：陈国贞陈涛李强一等奖作品摘要：使用PWM控制器SG3524设计并制作了一种推挽型DC/DC变换器，输出电压可在30～36V可调，系统效率可以达到92%。
整个变换器由C8051F020型单片机作为控制核心，可以将输入输出电压、电流和系统效率显示出来，并可以对输出电压预设和步进调整，还可以实现过流保护和过压欠压指示，完成了基本部分和发挥部分的所有要求。
关键词：推挽 SG3524 C8051F020Abstract: Using PWM controller SG3524, we designed and produced a push-pull DC/DC converter ,whose output voltage can be adjustable from 30V to 36V .The system efficiency can reach 92%.The converter uses C8051f020 as a controller .The input and output voltage ,input and output current ,and system efficiency can be displayed . It also has over-current protection ,over-voltage and under-voltage instructions. You can preset and step the output voltage. The converter realizes all the basic part and exertion part requirements.Keywords:push-pull SG3524 C8051F020一、系统方案选择与论证1.主回路拓扑方案选择与论证方案一：非隔离式升压型DC/DC变换器（图省）如图1，功率开关管和负载直接与整流电路串联，输出电压可以通过公式一求得，该方案简单，调整方便，可靠性高，但是在大功率输出时效率提到很高则变得非常困难，而且输入输出之间没有电的隔离。
方案二：单端正激DC/DC变换器如图2，输入电能通过整流二极管D1、D2传递给负载，同时将部分能量储存在储能电感L中。
该方案利用高频变压器原副绕组隔离的特点，可方便地实现输入和输出之间电的隔离，而且很容易实现多路输出，但是此方案中的高频变压器磁芯仅工作在B—H曲线的一侧，因而磁利用率和效率都低。
方案三：推挽型DC/DC变换器如图3所示，由两个单端正激开关电源叠加而成，所以输出电压是单个单端正激开关电源输出电压的两倍，该方案在场效应管导通期间，高频变压器原边两/n。
因此能获得较大的输绕组的总电压是两倍输入电压，整流电压的幅值等于UI出功率。
而且驱动电路简单。
不过会因磁芯饱和出现集电极电流尖峰而导致开关管损坏，对功率管的耐压要求高。
考虑到系统效率要达到85%以上，我们选择了方案三来制作升压电路，这样的话不但输出电压可以很容易达到题目要求，而且高频变压器的利用率很高，输出功率可以做的很大。
2.PWM控制芯片的选择方案一:TL494。
TL494内有两个误差信号比较器，能同时实现电压模式和电流模式控制，但在本系统中不能发挥这一优势，且没有外部强制封锁端，不便于实现过压过流保护。
方案二:SG3524。
SG3524具有很高的温度稳定性和较低的噪声等级，具有欠压保护和外部封锁功能，能方便地实现过压过流保护，能输出两路波形一致、相位差为180°的PWM信号，有效地减少输出电流的纹波，适合于推挽拓扑电路。
方案三:UC3842。
UC3842是电流型PWM控制芯片，适合于单端直流变换器，有欠压和关断功能，但滞后电压为6V，负载调整率较高，可以逐脉冲限流。
另外也没有强制封锁端。
考虑到系统已经选用推挽电路，而且要求有过流保护，我们选择SG3524作为PWM信号控制芯片，内部具有过流检测端和自动封锁端，配合软件不需要搭建复杂的保护电路，还可以具有自恢复功能。
3.提高效率的方法(1).我们在设计过程中发现选定较高或较低的频率都会使效率降低，经过反复测试，最终选定了开关频率为140KHz。
(2).使用专门的MOS驱动芯片，比如MC34152,对PWM信号整形，使驱动波形上升沿和下降沿陡峭，减少开关损耗。
(3).改善变压器的绕制工艺，使其漏感尽量小，使用多股铜线并绕的技术降低趋肤效应，降低铜损。
(4).选用低压差的肖特基二极管，降低整流损耗。
(5).在合适地方添加吸收网络，减少阻尼振荡。
经过综合考虑，我们采用(1)(2)(3)(4)来提高系统效率,同时使用液晶显示，电流传感器采样，降低功耗，使系统效率能够达到90%以上。
二、主要硬件电路设计和参数计算1.单片机控制电路的设计我们使用C8051F020型单片机，其有丰富的内部资源，包括本次设计用到的AD、DA和丰富的I/O口资源。
用来采样输入输出电压电流值，控制输出电压步进和预设，同时控制保护电路。
具体硬件电路参看图4.2.输入输出整流滤波电路设计为滤除交流电源线上的外来干扰，同时能避免向外界发出噪声。
在电源的输入端加了EMI滤波器。
采用全桥整流和型滤波电路技术，对经过220V／18V交流变压器的交流信号进行处理，最后得出的整流滤波后的电压。
据题目要求，当交流输入电压从15V到21V变化时，输出电压会在18.3V到26.1V之间变化，参看图5。
为了使纹波电压尽可能降低，达到1V，以至于不影响后级电路的设计，取C 1＝10000μF,C2=4700μF,滤波电感使用PQ32/30磁芯绕制4层，经过实际测量纹波电压不超过1V。
输出回路采用全桥整流和LC滤波技术，电路图和图5相比只是少了C1和F，其他一样。
其中C2=4700μF，滤波电感也是使用PQ32/30磁芯，但是是用6股Ф0.5的铜线并绕3层。
3.主回路拓扑电路（图省）SG3524是美国硅通用公司生产的双端输出式脉宽调制器，工作频率高于100KHz，工作温度为0℃～70℃。
我们设定的最高的开关频率为140KHz，所以通过公式四可以计算得到C3=0.3Mf,R3=3.3KΩ。
+5V输出电压经过取样由R1、R2、R9、R10构成的电阻网络分压后获得取样电压，送至误差放大器反相输入端；C8051F020的DA输出的电压送到误差放大器的同相输入端。
通过DA控制误差电压，使PWM 信号的脉冲宽度发生相应的变化，经输出电路迫使输出电压跟随DA输入电压变化，从而达到稳压目的。
MC34152是将SG3524产生的PWM信号整形，使PWM信号的上升沿和下降沿变得更加陡峭，减少开关损耗。
R7、R8是用以消除脉冲信号阻尼振荡的消振电阻。
开关管选用了耐压150V的MOS场效应管IRFB52N15D，导通电阻很小；整流二极管使用能够耐100V的肖特基二极管，压降小，可以避免功率的不必要损失。
4.高频变压器的设计高频变压器的设计要求为开关频率最高为140KHz，最小为60KHz，输入电压UIN为18.3V～21.6V。
额定输入电压为18V，输出电压30～36V，输出电流要求能够达到2A，整流管正向电压降为1.2V。
具体设计过程为:(1).变压器的传输功率为：考虑副边绕组铜耗，采样、过流保护信号等电阻损耗和原边开关损耗后，设效率为90％则输入功率为(2).由PQ磁芯的最大传输功率（100KHz）关系可知，至少需要PQ26／20型的磁芯。
由于题目中并没有体积要求，为了使最大传输效率达到最佳效果，而且考虑到目前有的几种磁芯型号，选用了PQ40／40型磁芯。
其每伏输入电压对应的匝数，绕线窗口面积，窗口有效利用系数=0.56。
(3).原边线圈的匝数，取整=5匝。
(4).副边线圈的匝数，取整为16匝。
(5).根据趋肤深度和频率的关系可知穿透深度为(mm)经过反复调试我们最终设计的高频变压器初级线圈用铜皮绕了6匝，次级线圈用Ф0.5mm的铜线16股并绕了18匝，初级和次级线圈都有中间抽头，使得能够流过满足题目要求的足够大的电流。
5.效率分析及计算我们对内部各部分电路功率损耗进行了简单的估算，结果参看表1，那么功率损耗综合大约为6.3W，输出功率最大值为74.4W，则系统效率约为92.2％。
6. 保护电路的设计我们为整个系统设计了过流保护，而且有自恢复功能，在此基础上还增加了过压和欠压显示。
单片机检测到输出电流超过2.5A时，向SG3524发出过流信号，送至电流检测端-INV，然后SG3524停止工作，使输出回路断开，达到过流保护。
由于U的范围为18.3V～26.1V我们在26.5V过压和14V欠压。
过流保护、过压IN欠压指示电路参看图7。
（图省）7. 测量电路的设计(1).输入输出电压的测量将输入电压经过电位器分压后送到单片机的AD里面，将电压计算出来。
输出电压也是一样。
(2).输入输出电流的测量我们使用了霍尔电流传感器CS005、CS020，其具有耐压高、成本低、性能稳定等优点，二者分别对输入输出电流采样，并将电流信号通过电阻转变成电压信号，剩下的工作和输入输出电压测量一样。
用CD4051控制两路电压信号和两路电流信号的分时采样，仅使用一个AD就可以完成四路信号的采样测量。
8.键控和显示电路的设计我们使用了ZLG7290制作了键盘控制电路，具有功耗小，需要资源少，操作方便等优点。
显示电路采用FYD12864将测量结果显示出来，最大的优点就是功耗小，界面友好，将输入输出电压和输入输出电流都显示出来，同时将效率也显示出来。
三、软件设计我们通过C8051F020内部AD/DA,设计能够检测四路电压电流信号，并控制实现键控、预设和数字显示。
软件流程图参看图8.（图省）四、系统测试及结果分析1.测试仪器这次我们整个测试用到的仪器有①.DH1718D-5型双路跟踪稳压稳流电源②VP-5220A-1型模拟示波器③MASTECH公司的MY-65型万用表④型调压器2.测试步骤(1).键控、显示和预设功能测试。
将UO预设在36V，然后用键盘控制步进减到30V时，然后步进增到36V，步进值设定为1V，每一次测量中都用万用表测量输出电压值，测试实际结果见表2。
然后一次按下想要预设电压值的十位、个位、十分位，但设定值不能超过30到36V的范围。
我们测试了三组结果见表3.(2).电压调整率。
调整负载，使IO ＝2A，UO＝36V，用调压器缓慢调整交流电网电压，使得U2在15到21V之间变化，记下输出电压的最大值和最小值。
实际测得最大值为36.03V，最小值为35.98Ｖ。
(3).负载调整率。
调节调压器，将U2设定到18V，再把输出电压设定为36V，调节负载，使得IO从0到2A变化，记下输出电压的最大值和最小值。