电子设计大赛（电源组）设计的具体方案总结

来源：安博电竞官网    发布时间：2023-12-26 07:34:43

  我在学校曾经负责学院和社团的电子制作和竞赛的部分培训，现在已经毕业，所以想把一些方案和资料发出来，让他们继续发挥余热，也借以这种形式来表达对曾经在竞赛和学习生涯中帮助过我的学长、老师以及陪伴我的同学、学弟学妹们诚挚的感谢，也算是一种传承吧。

  这篇文章主要涉及的是本科生电子设计竞赛电源组的技术方案，文章的主要结构如下图所示。

  其实根据我的经验，无论每年题目怎么出，大概都不会超出这个范围，最多的只是输入输出参数和性能指标上的变化，所以赛前就要尽快制作并调试这些模块，只要赛前充分做好这些准备，比赛时就可成竹在胸，将各个模块按照题目要求的功能进行组合和完善即可。下文的撰写我试图从以下几个方面进行：

  另外，本文所讨论的设计的具体方案都旨在以尽可能的简单、便于学生实现的方法去完成电子设计竞赛的试题要求，不具有任何的可靠性和适应性，所以请不要将本设计案例直接用在工程实际中。

  因为撰写时间仓促且细节距今久远，难免有不足、错误和疏漏之处，还请指出，能联系我及时修改，以免误导，谢谢！

  1、找到志同道合的队友，进行明确的分工，队友最好是以前有过合作的或者一个协会什么的比较熟悉的，但是不建议找室友作为队友。一般电源三个人，一个人写单片机程序、两个人做电路，我觉得这种分工是科学的。

  2、做单片机的同学要掌握一个主流单片机，如8051、STM32等，参加过智能车的可能还会倾向使用K60，这些都行（TI杯在我们这（安徽）不强制使用MSP430系列），对电源组的设计来说，这些单片机的片内资源足够了。

  3、做单片机的同学还需要学会使用几个基本的芯片和外设，如ADC、DAC、液晶屏（1602、12864、LCD、OLED均可，主要是显示参数信息）、常见的接口总线IIC、SPI。常用到的芯片是：

  4、做电路的同学需要的是电子设计的在课堂上学的基本知识（模拟电路、电力电子技术等），这些课程没有学过或者学得不好也没关系，可以把书带着备查，边实践边补充，不必太过焦虑。

  5、做电路的同学学习软件的话主要是绘制电路板的软件Altium Designer，这个软件学生用得多一些。然后原理图仿真软件其实在竞赛设计中意义不大，不会也行，如果想要学习的话可以学学Tina或者LTspice这种基于spice模型的软件。板级仿真软件用不着，不用学什么。主要还是原理图和PCB绘制，由于竞赛的制版工艺和后期调试和常规的工程实际不太相同，我会在最后再提几个注意事项。

  如果有需要我以后能再写一篇介绍在电子工程设计中一些常用的、比较好的软件。

  6、学习怎么样自己用铁氧体和漆包线绕制自己期望感量的电感，学习如何用骨架绕制目标匝数的高频变压器。

  7、做电路的同学要学习一下制版工艺，就是画好的PCB如何制成电路板，我并不推荐用万能洞洞板看着原理图一点一点焊，稳定性太差而且耗时太久。

  常见的制版有三种方法，首先效果最好的就是去PCB厂家进行制版，但是那种耗时太久，比赛时间短，等不了。比赛期间主要是后两种方法，一种是如果学校购置了雕刻机，在覆铜板上雕刻出线路；另一种就是腐蚀法，先将线路镜像热转印在覆铜板上，再用FeCl2溶在热水里对覆铜板进行氧化还原反应（原“置换反应”有误，感谢评论提醒，已改正）腐蚀出线路图，这种反应比较快效果也比较好，我个人很喜欢，但是这个溶液有颜色容易污染实验室地面，后来老师不再允许使用，渐渐换成了淘宝上的腐蚀剂，有效成分为盐酸，也需要用热水。

  整流这部分是最基本的部分，不管什么题目，只要需要从市电取电，就能用到。这个模块相对其他模块要更简单，调试起来也要容易的多，而且后续调试替他模块的时候都需要这个模块来进行供电，推荐第一个做这部分模块。

  如上图，这块模块主要是将市电220V转换成可供我们系统使用的直流电源，但是LM2596的最大电流只有3A，所以这个多路电源主要是作为单片机和各个模块芯片的电源，不可以用作DCDC变换时的直流输入，切记。79XX部分是负电压输出，7915就是-15V，7905就是-5V，以此类推。有些使用的运放会用到，作为偏置电压输入，不过现在运放rail to rail的有很多了，不一定用得到，我的意见是设计反映出来，但是在电路板上不一定焊接上，以防万一即可。

  如上图，C1、C3、C4为XY电容，用来滤除电网谐波，而且有些学校在实验室的市电输入是通过程控交流电源输入的，那个仪器的谐波很多（机器内部SPWM波逆变的原因）。C2、C5为滤波电容，必须要格外注意的是耐压值最低的尺度是半波的峰值而不是有效值，以及负电压电容的极性：是正极接地而不是负极；取值根据公式计算，在此不再赘述。

  DC-DC部分也就是开关电源，实际上也就考察两种功能，一是恒流（CC），二是恒压（CV）。在工作模式上，只要进行适当的电路设计，改变反馈源就可实现恒流和恒压的不同转换（电流反馈和电压反馈）。而在恒压上，可能会出现升降压（boost-buck）、升压（boost）和降压（buck），这能够最终靠改变设计的拓扑结构来进行实现（开关管、二极管和电容之间的结构位置关系）。

  在开关电源这块，无论使用什么型号的PWM控制器，只要掌握好了设计的核心，万变不离其宗，下面我通过一个基于TL494的开关电源模块来进行举例：

  这是一个基于TL494的开关电源模块。在拓扑结构上：芯片的9、10引脚驱动MOS管开关来对输入电压进行开通和夹断，电感和电容与MOS管形成一个典型的Buck拓扑，电感保证在MOS管关断时电容上仍然有持续的电压。电容的滤波保证了输出的波形为直流。在电路反馈上：R3和R10形成分压，将反馈电压输入给芯片的第一引脚，调节R3就会改变反馈电压，达到调压的目的；继电器被触发时反馈电阻将改成R6，这时将进入恒流模式，反馈形式仍然是电压反馈，但是反馈的电压值将是电流值的1/2，这时反馈就与负载的电流紧密相关，达到恒流的目的。

  不过上面的原理图是还有程控和过载保护功能的，具体如何程控和保护呢？我们先看下面的TL494内部结构图。

  程控实现：在上图我们大家可以看出，第5、6引脚的外接电阻电容值则决定了PWM波的开关频率，TL494内部有两个误差比较器，两个误差比较器输出和第3引脚的反馈输入端共同决定了TL494的PWM控制器的输出占空比。为此上面的设计我们将反馈引入第1引脚，由外部DA输出一个参考电压输入第2引脚来控制输出占空比，这样我们就能够最终靠外部DA来控制输出的电流电压值，进而达到程控的目的。

  过载保护实现：通过AD采集反馈电流，当电流大于恒定值后控制K1继电器关断，进而达到过载保护的目的。

  另外，竞赛常用的PWM控制器还有UCC3843、SG3525等，同样也有比较好的效果，这里就不一一举例了。

  逆变是我个人觉得最有意思的一部分。主要有两种逆变，正弦逆变和方波逆变。正弦逆变很经常出题，感觉能考的好像都出过了，近几年新能源汽车、高铁的迅速发展，我以为会考察方波逆变，可惜然而并没有。逆变模块主要有两部分，一是逆变信号源，二是逆变器桥。信号源可以是单片机产生的，可以是专用芯片产生的；逆变桥也可分为半桥和全桥等。

  先说信号源，信号源主要是产生电桥驱动信号的，可以是单片机，也可以是专用芯片。单片机的优点是便于程控，方便调节频率，缺点在于在三相正弦逆变上的算法难度大并且容易被烧毁，要增加隔离电路，这就间接地增加了硬件开销。专用芯片就与之相反，设计简单，但是对参数的调节不如单片机来的简单。

  如果用单片机作为信号源的话，正弦逆变就产生SPWM波，方波逆变就产生矩形波就行了，好像没什么需要非常强调的。专用芯片作为信号源，正弦逆变单相的能够正常的使用EG8010，三相的能够正常的使用EG8030，均为国产芯片；方波逆变就使用常见的PWM调制芯片即可，如TL494、SG3525，也应该没什么问题，我均曾成功实现过。

  上面是EG8010的数据手册，厂家给的资料也是非常的丰富，我在设计时做了一点微小的改进。

  厂家给出的设计Demo是通过在不同位置的电阻的焊接与否来选择50Hz/60Hz/0-100Hz可调/0-400Hz可调的模式，我将他们通过一个拨码开关来控制，不同拨码状态的拨码开关，使驱动板工作在不同的工作模式，而且如果后期要实现程控设置，我只需要将拨码开关拆下，接上单片机的IO口，经过控制IO不同的高低电平来实现工作模式的转换。

  在频率调节上，厂家提供的Demo是板上某一个位置上的焊接不同阻值的电阻来实现频率可调，我将该口引出，通过一个可调电阻来进行调节。同样地，如果在后期需要程控，我仍旧能通过数字电位器或者DA输出不同电压，来实现程控频率可调。

  在逆变桥方面，我们做全波逆变主要是H桥居多，在设计后级时要注意开关管的选型，一定要降额设计，留有足够的裕量，并且做好散热措施。

  在变频中一般拆分为两个部分来设计，先把输入的交流转换为直流（整流），在通过DC-DC电路将电压调整到目标幅度（调幅），这里可能是升压也有一定的可能是降压，whatever，然后用逆变的方法来输出目标频率的交流电源（调频）。

  这里所用用到的模块都是之前讲过的了，所以就不再讨论，只需到时按需设计即可。变频电路设计就这样完成了。

  其他功能电路一般作为发挥部分，大多数都会有10分左右，而为了这几分，如果在前面的主要设计里，性能要求纹波10mv以下之类的，拿几分可谓十分困难，但是放在发挥部分的几分如果不要，实在是可惜，所以这里我简单列举了几种能够为自己发挥部分争光添彩的设计，以供参考。但是在竞赛设计时，仍然要以主要性能要求为主，这些其他功能主要是为锦上添花之用，而非雪中送炭、无中生有。

  其中，过载保护和程控设计已经在TL494开关电源的方案中介绍了，另外在EG8010的逆变电路中也稍有涉及，在此不再讨论。

  功率因数校正用来校正交流电压和相位之间的夹角，有时会放在逆变试题的基础要求里，有时候则不会要求，我在这里提供一种方案。

  用DS18B20等温度传感器采集开关管附近的温度，使用单片机对散热的风扇进行调速，实现根据具体温度对风扇转速的调节。很简单的，郭天祥的书上就有这个传感器的使用教程和源码，这里不再讨论了。

  下面提出几年的电源类设计的基本要求，看看是不是都是我介绍过的模块可以用得上，要自己在三天四夜之内设计的部分少之又少。所以说正确地了解究竟该做哪些准备并积极做好赛前准备很重要。

  这一部分我想到多少写多少，写了一下午很累了，万一有一时没想起来的后续再更，望理解。

  1、在PCB设计时，若使用雕刻机可以像我那样横平竖直地走线，因为雕刻机时XY轴加工，可以大幅度缩短加工时间。（你们也不要因为走线diss我哈，特殊情况特殊对待，不服带自己的layout文件来战哈哈哈）

  2、尽量使用接线端子来接线（绿色蓝色需要拧螺丝的那种），而不要用排针杜邦线，那样很容易接触不良。

  3、不要使用杜邦线作为电源线，使用的电源线要足够的粗以满足电流要求（能够正常的使用多股绞线、端子上正负极要

  ，线上也要标，以防反接。（血的教训）5、开关管（BJT，MOS，IGBT）要

  ，一个模块是一个单独的电路板，增强复用的灵活性。7、在电路板四周打孔，用

  起来，确保电路板背面悬空，以防在调试时桌面有电阻的引脚、焊锡丝之类的导致电路短路。（血的教训）8、腐蚀或者雕刻的覆铜板，大电流的线路上，不仅布线要加粗，还需要用烙铁

  的元件（变压器）放在线路板中间，发热量大的元件（开关管）放在板子边缘以及通风良好处。（常识）10、关键线路上