2015全国电子设计大赛_开关电源类指导
2015年全国大学生电子设计竞赛
多旋翼自主飞行器（C 题）
2015 年 8 月 14 日
摘要
本系统采用四旋翼自主飞行器，以 stm32f407vgt6 作为飞行器控制的核心， R5F100LE 作为导航核心。本系统由电源模块、电机控制模块、传感器检测模块、 飞行循迹模块，超声波模块、报警模块、语音提示模块等构成。微控制器综合飞 行器模块和传感器检测模块的信息，通过控制 4 个直流无刷电机转速来实现飞行 器的欠驱动系统飞行。基于动力学模型，将四旋翼飞行器实时控制算法采用双 PID 控制回路，即角度控制回路和角速度控制回路。测试结果表明系统可通过各 个模块的配合实现对电机的精确控制，具有平均速度快、定位误差小、运行稳定 等特点。通过航拍模块、电磁铁模块后，可实现航拍功能以及金属重物的拾获、 投放功能，基本满足提出的指标。本系统特色实现了语音播报功能。 关键词：四旋翼自主飞行器 瑞萨 MCU stm32f407vgt6 PID 控制算法
2 系统理论分析与计算 ................................................2 2.1 飞行原理的分析.............................................................................................2 2.2 PID 控制算法的设计 ......................................................................................3 2.3 飞行循迹的分析..............................................................................................4
开关电源设计指南
开关电源设计指南开关电源是将电能转换为特定电压或电流输出的电子设备，广泛应用于各种电子设备中。
本篇文章将为读者提供一份开关电源设计指南，帮助读者了解开关电源的基本原理以及设计过程中的关键要点。
一、开关电源的基本原理开关电源的基本原理是通过开关管的开关动作，实现电能的高效转换。
开关电源由输入端、开关管、变压器、输出滤波电路等组成。
输入端将交流电转换为直流电，经过开关管的开关动作，通过变压器进行电能转换，最终通过输出滤波电路得到稳定的输出电压或电流。
其中，开关管的开关频率决定了开关电源的工作方式，常见的有固定频率PWM调制和变频调制。
二、开关电源设计的关键要点1. 输入电压范围：根据实际应用需求确定开关电源的输入电压范围。
通常情况下，开关电源的输入电压范围为AC 100V-240V。
2. 输出电压和电流：根据实际应用需求确定开关电源的输出电压和电流。
输出电压可以通过变压器的变比来调整，输出电流则通过开关管的控制实现。
3. 效率和功率因数：开关电源的效率和功率因数是评估其性能的重要指标。
高效率可以减少能量损耗，提高系统的整体效能；高功率因数可以减少对电网的污染。
4. 过压保护和过流保护：在开关电源设计中，应考虑过压和过流等异常情况的保护措施，以确保系统的安全运行。
5. EMI滤波：开关电源在工作时会产生电磁干扰，为了避免对其他设备造成干扰，需要在设计中加入EMI滤波电路。
6. 温度管理：开关电源在工作时会产生一定的热量，为了确保系统的稳定运行，需要考虑散热设计和温度管理措施。
三、开关电源设计的步骤1. 确定输入输出参数：根据实际应用需求确定开关电源的输入输出电压和电流参数。
2. 选择开关管和变压器：根据确定的输入输出参数，选择合适的开关管和变压器。
3. 设计控制电路：设计开关电源的控制电路，包括开关管的驱动电路和PWM调制电路。
4. 设计滤波电路：根据需要设计输出滤波电路和EMI滤波电路。
5. 设计保护电路：设计过压保护和过流保护电路，确保系统的安全运行。
电赛电源类知识要求
电赛电源类知识要求
在电子设计竞赛中，电源设计是不可避免的一个环节。
以下是电赛电源类知识要求：
1. 直流电源：了解直流电源的基本构成和工作原理，包括整流、滤波和稳压三个基本部分。
能够根据电路要求选择适当的整流电路、滤波电路和稳压电路，设计出符合要求的直流电源。
2. 交流电源：了解交流电源的基本构成和工作原理，包括变压器、整流、滤波和稳压四个基本部分。
能够根据电路要求选择适当的变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路，设计出符合要求的交流电源。
3. 电池电源：了解电池电源的基本构成和工作原理，包括电池类型、电池充放电特性和电池保护电路等。
能够根据电路要求选择适当的电池类型和保护电路，设计出符合要求的电池电源。
4. 开关电源：了解开关电源的基本构成和工作原理，包括开关电源的整流、滤波、变换和稳压等基本部分。
能够根据电路要求选择适当的开关管、变压器、滤波电路和稳压电路，设计出符合要求的开关电源。
5. 电源管理：了解电源管理的基本概念、功耗管理和功率管理等重要内容。
能够根据设备要求选择适当的电源管理芯片，设计出符合要求的电源管理电路。
以上是电赛电源类知识要求，希望能对电子设计竞赛的参赛者有所帮助。
2015年全国大学生电子设计竞赛
至黎明前的你们一直想给参加电赛的你们写点东西，分享下自己对电赛的一些看法和经验，让大家有一个更清楚的理解和认识。
首先关注下今年国赛的时间安排：8月12日（星期三）上午8：00时至8月15日（星期六）晚20：00时，举行2015年全国大学生电子竞赛，开赛前半小时网上发题。
一、既然选择了电赛就把它做好选择了参加电赛就应该尽力把它做好。
我相信参加电赛的大部分人都是抱着对电子的好奇和热爱，当然也有人说我就是为了拿个证书让自己的大学更光彩点，其实这算是很正常的心态，也很容易理解。
无论你是抱着那种心态，可以明确的是自己想完成好今年的电赛，为自己获得一份荣誉，同时找到自己的兴趣爱好，也算是给四年的大学生活学习增加一份厚重。
也许几年后再次回想起那段时光也是如此的美好，那时的自己是多么认真，多么投入，多么的百折不挠，为了自己的爱好，为了自己想要得到的，如此的奋不顾身，如此的执着勤恳。
二、认真的态度比什么都重要能最后获得荣誉的都是经过了不知道多少个没日没夜的奋斗换来的，团队里的每个队员都是抱着认真严谨的态度对待每次小组内部的学习讨论以及遇到的问题。
当然有人觉得比赛嘛，可以去串串门什么的，只要我会简单的编程和基础的焊接也就OK了。
不可否认，这样确实可以直接获取别人的劳动成果，但也只是皮毛，不可能获得很优秀的成绩，这一点希望大家清楚。
不过真的是没有办法了（队里两个混子的，也是可以的），至少这样也算是有了一点自己的劳动成果吧！不至于辛苦了一个夏季什么都没有（对以后的比赛和电子学习也算是一点激励和警醒吧！）。
三、关于选题（不盲目、不跟风、有思路）如果说题目下来感觉自己那个都能做一部分，有些想法，那就不要怕，选择一个你认为可以做下去的（不一定会全部完成），认真的去做就是了。
不要说大部分人都选了某个题目，我也要和他们一样，这个也没必要的，人选的多了竞争自然就大了，选的少的题目竞争也就小了很多。
四、比赛前和比赛中比赛的前几天尽量多的关注一些网上的信息，比如说今年的热门题型（很有可能会是比赛的题目），比如说网上比较有创意的想法（感觉有可能会在比赛中出现的），比如对一个往届题目的改进题型，这些你都可以去尝试着做做看，选择1-2个尝试着做下，搜集点资料，多了解点，说不好比赛中的题目就是你预测的题型。
2015全国电子设计大赛题目
I1 I10 100% ，其中 I1 为实际电流、I10 I10
I11 I12 100% 。 I1
P P 1 100% 、2 2 100% ，其中 P 2 U2 I2 。 1 U1 I1 ， P P2 P 1
5. 基本要求（5）的测试方法：在图 1 的 A、B 点之间串入滑线变阻器，使 U1 增加。 6．辅助电源需自制或自备，可由直流稳压电源（Us 处）或工频电源（220V）为其供电。 7．作品应能连续安全工作足够长时间，测试期间不能出现过热等故障。 8．制作时应合理设置测试点（参考图 1） ，以方便测试；为方便测重，应能较方便的将 双向 DC-DC 变换器、测控电路与辅助电源三部分与其他部分分开。 9．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、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可用附件给出，在附件中提 供作品较清晰的照片。.
170
160
8. 各项要求中，长度均以厘米（cm）为单位，角度以 10°为最小单位。 9. 赛题中要求的各项动作完成时间越短越好，超过规定时间 1 倍时不计成绩。
四、评分标准
项 目 系统结构及风力摆运动控制方案 论证 风力摆状态测量及运动控制 系统结构，电路设计 测试方法及测试数据 摘要 格式规范 设计报告内容完整性 公式、图表的规范性 小计 完成第（1）项 基本 要求 完成第（2）项 完成第（3）项 完成第（4）项 小计 完成第（1）项 发挥 部分 完成第（2）项 完成第（3）项 小计 总分 20 15 15 10 10 50 20 20 10 50 120 3 分数 4 6 4 3
340
万向节
硬 质 管 棒
2-4只 轴流风机
图 2 风力摆实现方案示意
2015年全国大学生电子设计竞赛双向DCDC电源设计报告概论
2013年全国大学生电子设计竞赛双向DC-DC变换器（A题）2015年8月12日摘要本系统以Buck和Boost并联，实现双向DC-DC交换，以STM32为核心控制芯片。
Buck降压模块使用XL4016开关降压型转换芯片，通过单片机闭环实现恒流输出控制。
放电回路选择Boost升压模块，以UC3843作为PWM控制器，组成电压负反馈系统，通过调整PWM的占空比，实现稳压输出。
系统能自动检测外部电源电压变化，在负载端电源较高时自动切换成充电模式，反之切换为放电状态。
系统具有过流、过压保护功能，并可对输出电压、电流进行测量和显示。
关键字：DC-DC交换；Buck；Boost；PWM控制AbstractThe system is Buck and Boost parallel, to achieve two-way DC-DC exchange, STM32 as the core control chip.The Buck Buck module uses the XL4016 switch Buck converter chip, takes the current signal in the output, controls the feedback of XL4016, completes the closed-loop control, and realizes the constant current output. Boost boost module uses UC3843 as the PWM control chip, according to the output voltage negative feedback signal to adjust the PWM signal, the closed-loop control is carried out, in order to achieve the regulator output.System can automatically switch charge and discharge mode, can also be manually switch. The system has the function of over current and over voltage protection, and can measure and display the output voltage and current.Key words: bidirectional DC-DC converter, Buck, boost, PWM control目录1系统方案 (1)1.1 升、降压电路的论证与选择 (1)1.2 系统组成及控制方法 (1)2系统理论分析与计算 (2)2.1 电路设计与分析 (2)2.1.1 提高效率的方法 (2)2.1.2 控制回路分析 (2)2.2 控制方法分析 (2)2.3 升压、降压电路参数计算 (3)2.3.1 元件选取 (3)2.3.2 电感计算 (3)3电路与程序设计 (4)3.1电路的设计 (4)3.1.1系统总体框图 (4)3.1.2 充电系统原理 (4)3.1.3 放电系统原理 (5)3.2程序的设计 (5)3.2.1程序功能描述与设计思路 (5)3.2.2程序流程图 (5)4测试方案与测试结果 (6)4.1测试方案 (6)4.2 测试条件与仪器 (7)4.3 测试结果及分析 (7)4.3.1测试结果(数据) (7)4.3.2测试分析与结论 (7)附录1：电路原理及实物 (8)附录2：主要程序片段 (9)双向DC-DC变换器1系统方案系统要求效率，所以恒压输出、稳流输出都应采用开关电路，鉴于本题目要求的功能，系统主要由恒压控制模块、恒流控制模块组成，另为了灵活调整输出参数并实时监控系统工作状态，运用单片机控制技术，还有支持系统控制系统工作的辅助电源。
全国大学生电子竞赛开关稳压电源设计
全国大学生电子竞赛开关稳压电源设计随着电子竞技的迅速发展和壮大，全国范围内的大学生电子竞赛也越来越受到关注和重视。
为了满足参赛选手对电源供应的需求，开关稳压电源的设计成为了重点。
一、电源设计的重要性电源是电子产品的重要组成部分，对于电子竞技场合来说，它的重要性更是突出。
游戏设备需要充足的电能支持，稳定的电压才能保证竞赛中不出问题，同时还要注意电源的安全和便携性。
二、开关稳压电源的特点开关稳压电源是目前使用最广泛的电源，它具有以下特点：1.高效率：开关电源的转换效率可达到90%以上，能够更好地利用能源，同时也可以降低因电能转换而产生的热量。
2.可调性强：开关电源的输出电流、电压等参数都可通过调节电路参数从而实现调节。
3.体积小、重量轻：开关电源整体采用集成电路和数字电路，体积和重量相比传统电源更小更轻，便于携带和存储。
4.更安全：开关电源采用设备保护措施，能够保护电源和被供电设备，保证电源的长期稳定运行。
三、开关稳压电源的设计思路开关稳压电源的设计需要考虑多个方面的问题，例如电源的输入输出参数、保护电路的设计等。
在设计过程中应注意以下几点：1.输入电压的稳定性：为了保证输出电压的稳定，需要对输入电压进行滤波和稳定性的处理。
常用的方法有电容滤波、稳压二极管等。
2.保护电路的设计：开关稳压电源的保护电路包括过压保护、过流保护、短路保护等，能够保证电源和被供电设备的安全。
3.输出电压的调节：在设计输出电压时，需要确定所需的输出电压，并确定调节范围和调节精度。
在输出电压的稳定性方面，需要注意输出电流和负载变化时的调整能力。
4.体积和重量的控制：对于电子竞技中使用的电源来说，体积和重量的控制非常重要。
为了更好地让参赛者使用，在设计电源时应注意体积和重量的控制。
四、总结全国大学生电子竞赛的举办可以促进大学生电子技术的发展和创新。
其中电源的设计是一个非常重要的环节，它对参赛选手的表现和安全都有重要影响。
因此，开发一种小巧、高效、安全的开关稳压电源是设计者们目前的重要任务。
2015全国电子设计竞赛DC-DC变换器
2015年全国大学生电子设计竞赛双向 DC-DC 变换器（A 题）[本科组]参赛学校：淮阴工学院参赛编号：HA011队员姓名：刘新邵慧洁甄将军指导老师：陈万刘保连2015年8月15日摘要随着科技和生产的发展，双向DC-DC变换器在诸如电动车动力系统，直流不停电电源等场合的应用越来越多。
双向 DC-DC 变换器应用于能量双向流动的场合可以大幅度减轻系统的体积重量和成本。
根据电池组充放电要求以及变换器的输入输出参数，在硬件电路设计中，采用了基于同步整流buck变换器的双向DC-DC电路结构，设计了基于STC89C52单片机的控制器，该控制器采样了双向DC-DC变换器的输出电压和充电电流，并通过软件计算得出功率器件的开关信号和充电电流指令，以达到精确控制充电电流的目的。
测试结果表明，本设计主要实现双向DC-DC变换器对电池组的充放电功能，达到了双向DC-DC变换器（本科组）基本部分和发挥部分的要求。
关键词：双向DC/DC 变换，buck-boost电路，充放电模式1系统方案1.1 DC／DC变换模块的论证和选择方案一：非隔离级联型DC-DC型拓扑结构变换器：它的不足之处是它开关器件和二极管数目都比通常的双向DC-DC变换器增加了一倍，而且由于每一时间段里主电流都要流经两个半导体器件，通态损耗也高一些。
图1-1 非隔离级联型DC-DC电路原理图方案二：非隔离双向buck-Boost型拓扑结构变换器：它是将buck变换器和boost变换器结合到同一电路上。
这种双向buck-boost电路可以较好的实现能量的双向流动，结构简单，所用器件少而且便于控制，易于实现，且效率比双向全桥DC-DC电路大大提高。
图1-2 非隔离双向buck-boost型电路原理图理想选择。
1.2 单片机控制方案的论证和选择方案一：采用80C51类单片机控制方案编译器能自动完成变量的存储单元的分配，编程者可以方便地进行信号处理算法和程序的移植。
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BOOST电路分析
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经典开关电源控制芯片UC3842是硬件反馈很常用的器件，以下是UC3842在 BOOST电路中的应用：
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BOOST电路分析
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软件反馈则是指单片机或者FPGA用AD采集BOOST电路输出电压然后与 设定电压相比较来改变开关PWM占空比，继而调节输出。软件反馈相 比于硬件反馈更显灵活，是后期常用的方式，硬件反馈是基础，软件 反馈是升华。
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题目分析
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单管反激式：
半桥电路：
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BOOST拓扑分析
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开关导通电感电流和电感两端电压满足这样的关系：
dI (t ) Vin dt L
开关关断电感电流和电感两端电压满足这样的关系：
dI (t ) Vin Vo dt L
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BOOST拓扑分析
绕线要整齐,否则会影响性能。
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BOOST参数设计——其他器件
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对于续流二极管，要注意流过最大电流限制和反向承受电压限制，满 足这两个基本条件下我们希望二极管反向恢复速度越快越好，本题中 二极管的电流就是输出电流Io=3A，反向最大电压是36V，所以采用 两个SR360（3A，60V）并联使用。 对于滤波电容，我们采用大的电解电容和瓷片电容混合滤波，电解电 容滤低频，瓷片电容滤高频。 对于开关管，选用开关速度快的MOSFET场效应管，要注意它的耐压 值足够大和导通电阻尽量小，本题IRF540N是比较好的选择。 电流取样电阻的选取不能只看功率够不够，而是要满足精度的问题， 当电路工作时，电阻难免发热，阻值会发生变化，这样测量的电流就 不准了，而康铜丝电阻不仅功率大，温漂也相当小，因此我们选取它 作为电流采样电阻。
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各部分电路
BOOST主电路采用UC3843为PWM控制器的电路，如下：
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各部分电路
电压电流采样电路如下：
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(不要忘记去耦电容）
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各部分电路
辅助电源电路如下：
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布局布线
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在对电源系统焊接之前，我们必须要清楚的知道哪些地方过大电流，哪些地 方是小电流。很显然，BOOST主电路是大电流必经之地。 这两图中显示BOOST主电路有两个电流环，对这个电路的布局要领是让这 两个环所包围的圈尽量小。
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题目 2．发挥部分
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进一步提高电压调整率，使SU≤0.2%（IO=2A）； 进一步提高负载调整率，使SI≤0.5%（U2=18V）； 进一步提高效率，使≥85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A） 排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；
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。
BOOST参数设计——电感
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仅仅算出电感值不够，我们还要确定用什么样的磁芯和多少线径的铜线绕 制，在这之前，我们要简单说说电感电感电流 的变大而变小，甚至完全消失，电感成为了一根导线，引发短路！ 我们带着这个特性来尝试设计它。 首先我们要知道有哪些常用的磁芯： 从大到小：77191A7 77254A7 77930A7 分别常用于80~200W，20~80W， 20W以下。本题要求输出36V，2A， 最大功率72W，所以尝试使用 77254A7。
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BOOST参数设计——电感
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上表横坐标是安匝（电流乘匝数），纵坐标是AL，随着安匝数的上升，AL 下降，也就意味着电感值在下降，本题中IL=Io/(1-D)=6A。匝数之前算过 为24匝，安匝=144。查看上表AL下降略低于80%，因为设计有裕量（题目 要求2A，我们以3A计算的），所以本设计没有太大问题。 磁芯圈数都设计好了，最后一步是漆包线线径的确定，我们提供一个原则， 一般导线截面积单位cm^2上流过的电流为400A，本题IL=6A，可得导线截 面积为0.015cm^2，实验室直径0.8mm的铜线截面积为0.005cm^2，所以三 股（两根勉强也可以）一并绕制。
Ton Toff
上式左边便是开关PWM占空比D。
Vo
需要注意的是这个结果是电感电流始终不为零推倒的，实际上在不加负 载时电感上的电流不是连续的，但是仍然可以借助于能量守恒来分析， 请同学们自己看书。
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BOOST拓扑分析
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在上述分析中我们得到BOOST拓扑在电感电流连续的情况下输入输出 电压与开关占空比的关系：
从而可以得出电感：
Uin * Ton Uin * D * (1 D) L (0.3 ~ 0.5) * IL (0.3 ~ 0.5) * f * Io
对于本题Uin（min)=18V，Uo（max）=36V，Io=2.5A，我们以3A计算，f 取50KHz，从而可以算出电感值为100uH。
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整个周期电感电流波形是这样的：
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BOOST拓扑分析
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以上是BOOST电路工作的两种状态，那么BOOST电路输出与输入有什么关 系呢，有很多方法可以推倒出来，我们不妨以电感为对象，由能量守恒 可知电感在开关导通时充的能量与开关关断时释放的能量相等。 设开关导通时间为Ton，关断时间为Toff，IL为整个工作周期电感的平均 电流。 开关导通时电感积累的能量为 Pin=Uin*IL*Ton。 开关关断时电感释放的能量为Pout=（Uo-Uin）*IL*Toff。 由于Pin=Pout可得: Ton Vo Vin
Vo Vin D Vo
那么是不是我们给定了一个占空比，就能得到一个稳定的输出了 吗，答案是不可能的，其一输入电压Vin在不断变化，其二负载的 变化也会让电感电流进入不连续工作状态，因此我们需要反馈， 当输出电压小于期望值时我们将开关占空比增加，同理，大于时 减小占空比。 反馈的方式有两种，一种是最常用的硬件反馈，一种是软件反馈。 我们先来讨论硬件反馈。
电源一般有哪些指标？
答：直流电源：输出功率，效率，精度，交流纹波，负载调整率，电压调整率。
交流电源：输出功率，效率，精度，总谐波失真，频率稳定性，幅值稳定性。
电源难不难？
答：相比于仪器和控制，电源重在实践，但是不轻于理论。要敢于尝试，创 新。要有自己的想法和积累的经验。
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题目分析
开关电源就题论题
基于07年开关电源题目分析
题目
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一、任务 设计并制作如图1所示的开关稳压电源。
开关稳压电源
I IN IO U IN
隔离 U1= 220V AC 变压器
U2=18VAC
整流 滤波
DC-DC 变换器
UO
RL
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题目
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二、要求 在电阻负载条件下，使电源满足下述要求： 1．基本要求 输出电压UO可调范围：30V～36V； 最大输出电流IOmax：2A； U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%(IO=2A) IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%(U2=18V) 输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； DC-DC变换器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； 具有过流保护功能，动作电流IO=2.5±0.2A
下面是学长的布局实例：
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布局布线
BOOST主电路
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UIN 电压电流采样 UC3842电路 AD / DA 辅助电源
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UOUT 单片机接口
布局布线
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UOUT
UIN
电压电流 采样
UC3842 辅助电源
AD/DA
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谢谢
细心，大胆，努力，成功
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题目分析
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系统方案设计时最简单的方案才是最稳定的，我们不计成本，用最 好的芯片力求换取最简单的方案。 比如我们在测量本题的30至36V输出电压时，简单的分压跟随测量进 入AD的电压是3至3.5V左右，与AD的满量程相差甚远，因此有人考虑 采用线性运算电路，将30至36V转换到0至5V测量，这样甚好，但是 电路相对就复杂了，我们可以用更准确的AD（如ADS1118）来测量， 问题迎刃而解。 所以本题我们不考虑什么反激电路，半桥电路等，我们就用最简单 的BOOST电路：
IL
1 D
其中Io是输出电流，D是开关管最大占空比。之前说过电感电流波形 是这样的：
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BOOST参数设计——电感
我们建立这样一个原则：I 设开关导通时间为Ton，则：
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(0.3 ~ 0.5) * IL
D ,f为开关频率。 Ton f Uin 导通时电感电流上升斜率为： Ki L Uin * Ton 那么： I Ki * Ton (0.3 ~ 0.5) * IL L
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BOOST参数设计——电感
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选定磁芯后电感圈数如何确定呢，进入美磁官网，找到77254A7的PDF文 档，打开看到 AL=168。电感L=AL*N^2。计算出圈数N=24。
是不是这样就完成了电感的设计呢？不是，之前我们说过电感感值会随着 电流增大而变小，我们要求设计出来的电感在最大电流时其值下降不低于 电流为0时的80%。看PDF文档最下面有个图表：
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要求:
① ② ③ 输出电压UO可调范围：30V～36V； 最大输出电流IOmax：2A； 保护功能
开关稳压电源
I IN IO U IN
隔离 U1= 220V AC 变压器
U2=18VAC