電子設計大賽（電源組）設計方案總結
我在學校曾經負責學弟學妹的電子製作和競賽的培訓工作，現在已經畢業，所以想把一些方案和資料發出來，讓他們繼續發揮餘熱。正好知乎也曾是迷茫時為我答疑解惑的地方，也藉以這種形式來表達對曾經在競賽中幫助過我的學長和老師以及陪伴我的同學、學弟學妹們誠摯的感謝。
其實根據我的經驗，無論每年題目怎麼出，大概都不會超出這個範圍，最多的只是輸入輸出參數和性能指標上的變化，所以賽前就要儘快製作並調試這些模塊，只要賽前充分做好這些準備，比賽時就可成竹在胸，將各個模塊按照題目要求的功能進行組合和完善即可。下文的撰寫我試圖從以下幾個方面進行：
一、前期準備工作
二、模塊設計方案簡介
三、引用某年試題進行示例
四、設計注意事項
另外，本文所討論的設計方案都旨在以儘可能的簡單、便於學生實現的方法去完成電子設計競賽的試題要求，不具有任何的可靠性和適應性，所以請不要將本設計案例直接使用在工程實際中。
因為撰寫時間倉促且技術細節距今久遠，難免有所疏漏，如有不足之處還請指出，可以聯繫我進行修改，請多多包涵。
如果有問題的地方可以在評論里提出或者發郵件給我，我非常地樂意與大家進行技術討論和交流，我的郵箱是 [email protected]，盡量不要發私信，因為陌生人私信沒有提示可能不會及時看到回復。拒絕提供原理圖文件和PCB文件，如果附圖不夠清晰可以聯繫我，我可以提供更為清晰的版本。
一、前期準備工作
1、找到志同道合的隊友，進行明確的分工，隊友最好是以前有過合作的或者一個協會什麼的比較熟悉的，但是不建議找室友作為隊友。一般電源三個人，一個人寫單片機程序、兩個人做電路，我覺得這種分工是科學的。
2、做單片機的同學需要掌握一個主流單片機，如8051、STM32等，參加過智能車的可能還會傾向使用K60，這些都行（TI杯在我們這（安徽）不強制使用MSP430系列），對於電源組的設計來說，這些單片機的片內資源足夠了。
3、做單片機的同學還需要學會使用幾個基本的晶元和外設，如ADC、DAC、液晶屏（1602、12864、LCD、OLED均可，主要是顯示參數信息）、常見的介面匯流排IIC、SPI。常用到的晶元是：
ADC：TLC2543
DAC：TLV5618
PFCmonitor：CS5461
4、做電路的同學需要的是電子設計的在課堂上學的基本知識（模擬電路、電力電子技術等），這些課程沒有學過或者學得不好也沒關係，可以把書帶著備查，邊實踐邊補充，不必太過焦慮。
5、做電路的同學學習軟體的話主要是繪製電路板的軟體Altium Designer，這個軟體學生用得多一些。然後原理圖模擬軟體其實在競賽設計中意義不大，不會也行，如果想要學習的話可以學學Tina或者LTspice這種基於spice模型的軟體。板級模擬軟體用不著，不用學什麼。主要還是原理圖和PCB繪製，由於競賽的製版工藝和後期調試和常規的工程實際不太相同，我會在最後再提幾個注意事項。
如果有需要我以後可以再寫一篇介紹在電子工程設計中一些常用的、比較好的軟體。
6、學習如何自己用鐵氧體和漆包線繞制自己期望感量的電感，學習如何用骨架繞制目標匝數的高頻變壓器。
7、做電路的同學要學習一下製版工藝，就是畫好的PCB如何製成電路板，我並不推薦用萬能洞洞板看著原理圖一點一點焊，穩定性太差而且耗時太久。
常見的製版有三種方法，首先效果最好的就是去PCB廠家進行製版，但是那種耗時太久，比賽時間短，等不了。比賽期間主要是後兩種方法，一種是如果學校購置了雕刻機，在覆銅板上雕刻出線路；另一種就是腐蝕法，先將線路鏡像熱轉印在覆銅板上，再用FeCl2溶在熱水裡對覆銅板進行置換反應腐蝕出線路圖，這種反應比較快效果也比較好，我個人比較喜歡，但是這個溶液有顏色容易污染實驗室地面，後來老師不再允許使用，漸漸換成了淘寶上的腐蝕劑，有效成分為鹽酸，也需要用熱水。
二、模塊設計方案簡介
1、整流（AC-DC）
整流這部分是最基本的部分，不管什麼題目，只要需要從市電取電，就能用到。這個模塊相對其他模塊要更簡單，調試起來也要容易的多，而且後續調試替他模塊的時候都需要這個模塊來進行供電，推薦第一個做這部分模塊。
如上圖，這塊模塊主要是將市電220V轉換成可供我們系統使用的直流電源，但是LM2596的最大電流只有3A，所以這個多路電源主要是作為單片機和各個模塊晶元的電源，不可以用作DCDC變換時的直流輸入，切記。79XX部分是負電壓輸出，7915就是-15V，7905就是-5V，以此類推。有些使用的運放會用到，作為偏置電壓輸入，不過現在運放rail to rail的有很多了，不一定用得到，我的意見是設計體現出來，但是在電路板上不一定焊接上，以防萬一即可。
如上圖，C1、C3、C4為XY電容，用來濾除電網諧波，而且有些學校在實驗室的市電輸入是通過程式控制交流電源輸入的，那個儀器的諧波很多（機器內部SPWM波逆變的原因）。C2、C5為濾波電容，需要注意的是耐壓值最低的尺度是半波的峰值而不是有效值，以及負電壓電容的極性：是正極接地而不是負極；取值根據公式計算，在此不再贅述。
2、開關電源
DC-DC部分也就是開關電源，實際上也就考察兩種功能，一是恆流（CC），二是恆壓（CV）。在工作模式上，只要進行適當的電路設計，改變反饋源就可實現恆流和恆壓的不同轉換（電流反饋和電壓反饋）。而在恆壓上，可能會有升降壓（boost-buck）、升壓（boost）和降壓（buck），這可以通過改變設計的拓撲結構來進行實現（開關管、二極體和電容之間的結構位置關係）。
在開關電源這塊，無論使用什麼型號的PWM控制器，只要掌握好了設計的核心，萬變不離其宗，下面我通過一個基於TL494的開關電源模塊來進行舉例：
這是一個基於TL494的開關電源模塊。在拓撲結構上：晶元的9、10引腳驅動MOS管開關來對輸入電壓進行開通和夾斷，電感和電容與MOS管形成一個典型的Buck拓撲，電感保證在MOS管關斷時電容上仍然有持續的電壓。電容的濾波保證了輸出的波形為直流。在電路反饋上：R3和R10形成分壓，將反饋電壓輸入給晶元的第一引腳，調節R3就會改變反饋電壓，達到調壓的目的；繼電器被觸發時反饋電阻將改成R6，這時將進入恆流模式，反饋形式仍然是電壓反饋，但是反饋的電壓值將是電流值的1/2，這時反饋就與負載的電流緊密相關，達到恆流的目的。
不過上面的原理圖是還有程式控制和過載保護功能的，具體如何程式控制和保護呢？我們先看下面的TL494內部結構圖。
程式控制實現：在上圖我們可以看出，第5、6引腳的外接電阻電容值則決定了PWM波的開關頻率，TL494內部有兩個誤差比較器，兩個誤差比較器輸出和第3引腳的反饋輸入端共同決定了TL494的PWM控制器的輸出占空比。為此上面的設計我們將反饋引入第1引腳，由外部DA輸出一個參考電壓輸入第2引腳來控制輸出占空比，這樣我們就可以通過外部DA來控制輸出的電流電壓值，從而達到程式控制的目的。
過載保護實現：通過AD採集反饋電流，當電流超過恆定值後控制K1繼電器關斷，從而達到過載保護的目的。
另外，競賽常用的PWM控制器還有UCC3843、SG3525等，同樣也有比較好的效果，這裡就不一一舉例了。
3、逆變
逆變是我個人認為最有意思的一部分。主要有兩種逆變，正弦逆變和方波逆變。正弦逆變很經常出題，感覺能考的好像都出過了，近幾年新能源汽車、高鐵的迅速發展，我以為會考察方波逆變，可惜然而並沒有。逆變模塊主要有兩部分，一是逆變信號源，二是逆變器橋。信號源可以是單片機產生的，可以是專用晶元產生的；逆變橋也可分為半橋和全橋等。
先說信號源，信號源主要是產生電橋驅動信號的，可以是單片機，也可以是專用晶元。單片機的好處就是便於程式控制，方便調節頻率，缺點就是在三相正弦逆變上的演算法難度大並且容易被燒毀，需要增加隔離電路，這就間接地增加了硬體開銷。專用晶元就與之相反，設計簡單，但是對參數的調節不如單片機來的簡單。
如果用單片機作為信號源的話，正弦逆變就產生SPWM波，方波逆變就產生矩形波就行了，好像沒有什麼需要特彆強調的。專用晶元作為信號源，正弦逆變單相的可以使用EG8010，三相的可以使用EG8030，均為國產晶元；方波逆變就使用常見的PWM調製晶元即可，如TL494、SG3525，也應該沒有什麼問題，我均曾成功實現過。
下面我舉幾個例子：
示例一：EG8010設計
上面是EG8010的數據手冊，廠家給的資料也是非常的豐富，我在設計時做了一點微小的改進。
廠家給出的設計Demo是通過在不同位置的電阻的焊接與否來選擇50Hz/60Hz/0-100Hz可調/0-400Hz可調的模式，我將他們通過一個撥碼開關來控制，不同撥碼狀態的撥碼開關，使驅動板工作在不同的工作模式，而且如果後期需要實現程式控制設置，我只需要將撥碼開關拆下，接上單片機的IO口，通過控制IO不同的高低電平來實現工作模式的轉換。
在頻率調節上，廠家提供的Demo是板上某一個位置上的焊接不同阻值的電阻來實現頻率可調，我將該口引出，通過一個可調電阻來進行調節。同樣地，如果在後期需要程式控制，我仍然可以通過數字電位器或者DA輸出不同電壓，來實現程式控制頻率可調。
示例2：SG3525方案（寫不動了，先自己看吧，我有空再補）
示例3：TL494方案（寫不動了，先自己看吧，我有空再補）
在逆變橋方面，我們做全波逆變主要是H橋居多，在設計後級時要注意開關管的選型，一定要降額設計，留有足夠的裕量，並且做好散熱措施。
具體的數據手冊可在這裡查詢：
Datasheet search site for Electronic Components and Semiconductors and other semiconductors.器件篩選可以使用這個元器件商城的篩選器（因為比較全）：
DigiKey Electronics - Electronic Components Distributor4、變頻
在變頻中一般拆分為兩個部分來設計，先把輸入的交流轉換為直流（整流），在通過DC-DC電路將電壓調整到目標幅度（調幅），這裡可能是升壓也有可能是降壓，whatever，然後用逆變的方法來輸出目標頻率的交流電源（調頻）。
這裡所用用到的模塊都是之前講過的了，所以就不再討論，只需到時按需設計即可。變頻電路設計就這樣完成了。
5、其他功能電路
其他功能電路一般作為發揮部分，一般都會有10分左右，而為了這幾分，如果在前面的主要設計里，性能要求紋波10mv以下之類的，拿幾分可謂十分困難，但是放在發揮部分的幾分如果不要，實在是可惜，所以這裡我簡單列舉了幾種能夠為自己發揮部分爭光添彩的設計，以供參考。但是在競賽設計時，仍然要以主要性能要求為主，這些其他功能主要是為錦上添花之用，而非雪中送炭、無中生有。
其中，過載保護和程式控制設計已經在TL494開關電源的方案中介紹了，另外在EG8010的逆變電路中也稍有涉及，在此不再討論。
示例1：UCC28019功率因數校正電路
功率因數校正用來校正交流電壓和相位之間的夾角，有時候會放在逆變試題的基本要求里，有時候則不會要求，我在這裡提供一種方案。
示例2：CS5461功率因數檢測電路
功率因數的檢測可以和電流、電壓的監測值一起顯示在液晶屏上。
示例3：DS18B20動態散熱
用DS18B20等溫度感測器採集開關管附近的溫度，使用單片機對散熱的風扇進行調速，實現根據具體溫度對風扇轉速的調節。很簡單的，郭天祥的書上就有這個感測器的使用教程和源碼，這裡不再討論了。
示例4：MAX4172電流檢測電路
三、引用歷年試題進行示例
下面提出幾年的電源類設計要求，看看是不是都是我介紹過的模塊可以用得上，需要自己在三天四夜之內設計的部分少之又少。所以說正確地了解究竟該做哪些準備並積極做好賽前準備很重要。
示例一：2016年
示例二：2014年
示例三：2013年
四、設計注意事項
這一部分我想到多少寫多少，寫了一下午很累了，萬一有一時沒想起來的後續再更，望理解。
1、在PCB設計時，如果使用雕刻機可以像我那樣橫平豎直地走線，因為雕刻機時XY軸加工，可以大大縮短加工時間。（你們也不要因為走線diss我哈，特殊情況特殊對待，不服帶自己的layout文件來戰哈哈哈）
2、盡量使用接線端子來接線（綠色藍色需要擰螺絲的那種），而不要用排針杜邦線，那樣很容易接觸不良。
3、不要使用杜邦線作為電源線，使用的電源線要足夠的粗以滿足電流要求（可以使用多股絞線，因為比較軟）。
4、端子上正負極要標清楚，線上也要標，以防反接。（血的教訓）
5、開關管（BJT，MOS，IGBT）要貼散熱片，管子和散熱片之間需要用硅脂填充或者硅膠粘貼。
6、PCB儘可能模塊化設計，一個模塊是一個單獨的電路板，增強復用的靈活性。
7、在電路板四周打孔，用銅柱支撐起來，確保電路板背面懸空，以防在調試時桌面有電阻的引腳、焊錫絲之類的導致電路短路。（血的教訓）
8、腐蝕或者雕刻的覆銅板，大電流的線路上，不僅布線要加粗，還需要用烙鐵再鍍一層焊錫（塗布在線路上）以減小阻抗。
9、較重的元件（變壓器）放在線路板中間，發熱量大的元件（開關管）放在板子邊緣以及通風良好處。（常識）
10、關鍵線路上加保險絲。
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