全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電源類賽題新變化與賽前訓(xùn)練

王立華，國 偉

(1.山東科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266590；2.山東信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機(jī)系，山東 濰坊 260061)

·熱 點(diǎn) 研 究·

全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電源類賽題新變化與賽前訓(xùn)練

王立華1，國 偉2

(1.山東科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266590；2.山東信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機(jī)系，山東 濰坊 260061)

針對電源類題目具有實用性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)、技術(shù)水平發(fā)揮余地大等特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中經(jīng)常出現(xiàn)的電源類題目，分析了近幾屆比賽中電源類題目出現(xiàn)的新變化，介紹了電源類題目所涉及的主要知識點(diǎn)、相關(guān)技術(shù)和相關(guān)專業(yè)課程，同時，有針對性地介紹了電源類題目所需的賽前主要準(zhǔn)備和訓(xùn)練情況，以期達(dá)到以點(diǎn)帶面的作用，對全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的賽前準(zhǔn)備和訓(xùn)練有所借鑒和幫助。

全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽； 電源技術(shù) ；電源類賽題； 賽前訓(xùn)練

由原國家教委高等教育司倡導(dǎo)并組織的全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽，從1994年的首屆試點(diǎn)到2013年已成功舉辦了11屆。歷屆競賽的競賽題可以歸納為七類[1-2]：電源類、信號源類、高頻無線電類、放大器類、儀器儀表類、數(shù)據(jù)采集與處理類和控制類。電源類題目是其中非常重要的一類，在過去的競賽中，電源類賽題共有九道題目[3-4]：(1) 簡易數(shù)控直流電源(1994年A題)；(2) 直流穩(wěn)壓電源(1997年A題)；(3) 數(shù)控直流電流源(2005年F題)；(4)三相正弦波變頻電源(2005年G題)；(5) 開關(guān)穩(wěn)壓電源(2007年E題)；(6) 光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置(2009年A題)；(7) 電能搜集充電器(2009年E題)；(8)開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)(2011年A 題)；(9)單相 AC-DC 變換電路(2013年A 題)。可以看到，從2005年開始，每屆都至少會有一道電源類的題目。另外，在全國競賽的間歇年，各省舉辦的省級大學(xué)生電子設(shè)計競賽中電源類題目也很多，如山東省的電子設(shè)計競賽，近幾屆就有三道賽題(這三道賽題均由本文作者出題)：(1)簡易數(shù)控充電電源(2008年E 題)；(2)不間斷直流工作電源(2010年H題)；(3)簡易逆變電源(2010年I題)。盡管競賽的賽題種類不同，但是它們都有相通的地方，本文希望能通過對電源類題目及賽前準(zhǔn)備的分析起到以點(diǎn)帶面的作用，對其他類的競賽題目的賽前準(zhǔn)備和訓(xùn)練有所借鑒和幫助。

1 電源類賽題涉及的主要技術(shù)和知識點(diǎn)

回顧歷屆電源類的題目可以看出，同其他類型的題目一樣，其難度逐屆增加，設(shè)計要求也越來越高，其可大致劃分為三個發(fā)展階段：(1)基本直流電源設(shè)計階段(2005年之前)；(2)正弦波變頻電源和開關(guān)電源設(shè)計階段(2005～2007年)；(3)代表電源新技術(shù)的光伏發(fā)電、無線充電以及并聯(lián)均流控制供電等設(shè)計階段(2007年之后)。特別是從2009年開始，電源類題目已不限于設(shè)計一個普通的常用電源，“光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置”“電能收集充電器”“并聯(lián)均流控制供電系統(tǒng)” 以及“單相 AC-DC 變換電路”等題目都涉及目前電源技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，也是今后電源類題目出題的方向：新能源、新技術(shù)。例如：“光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置”就涉及最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)和頻率跟蹤技術(shù)； “電能收集充電器”涉及智能化充電技術(shù)；“開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)”涉及并聯(lián)均流控制技術(shù)；“單相 AC-DC 變換電路”涉及自動功率因數(shù)校正技術(shù)。這些電源技術(shù)都是近些年業(yè)界研究的熱點(diǎn)，要想實現(xiàn)這些技術(shù)需要具有較高的軟硬件設(shè)計水平和掌握較好的算法設(shè)計基礎(chǔ)。

通過近幾屆的賽題分析，可得到電源類賽題所涉及的主要知識點(diǎn)和技術(shù)。

1.1 電源類賽題所涉及的主要知識點(diǎn)

電源類賽題的主要知識點(diǎn)包括： (1)變頻電源、PWM開關(guān)電源等工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路的組成；(2)交流變壓器和高頻開關(guān)變壓器的設(shè)計與制作；(3)交流整流和濾波電路設(shè)計與制作；(4)斬波和驅(qū)動電路設(shè)計與制作；(5)逆變和驅(qū)動電路設(shè)計與制作；(6)電流、電壓檢測電路設(shè)計與制作；(7)過流和過壓保護(hù)電路設(shè)計與制作；(8)真有效值檢測電路設(shè)計與制作；(9) ADC和DAC電路設(shè)計與制作；(10) DC-DC升壓型和降壓型開關(guān)電源電路設(shè)計與制作；(11)直流穩(wěn)壓電路設(shè)計與制作；(12)單片機(jī)、FPGA、ARM最小系統(tǒng)電路設(shè)計與制作；(13)微控制器外圍電路(顯示器、鍵盤與開關(guān)等)的設(shè)計與制作等。

1.2 電源類賽題所涉及的主要技術(shù)

與電源相關(guān)的技術(shù)有：高頻變換技術(shù)、功率轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字化控制技術(shù)、全諧振高頻軟開關(guān)變換技術(shù)、同步整流技術(shù)、多相變換器技術(shù)、高度智能化技術(shù)、并聯(lián)均流控制技術(shù)、飽和電感技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)、分布電源技術(shù)，以及諸多的電磁兼容相關(guān)技術(shù)、各種形式的功率因數(shù)校正技術(shù)、各種保護(hù)技術(shù)、各種變頻技術(shù)、各種智能監(jiān)測技術(shù)、各種智能化充電技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)、各種集成化技術(shù)、微電網(wǎng)技術(shù)、各種形式的驅(qū)動技術(shù)和先進(jìn)的工藝技術(shù)等。

2 電源類題目的賽前準(zhǔn)備和訓(xùn)練

上述電源類賽題中的主要知識點(diǎn)和技術(shù)，有一些是學(xué)生在專業(yè)課程的學(xué)習(xí)過程中沒碰到過的，需要學(xué)生自己通過賽前訓(xùn)練去搞清楚，去掌握。因為，設(shè)計必須以理論來指導(dǎo)，沒有理論基礎(chǔ)，盲人摸象，設(shè)計一定會有困難。另外，電源類賽題的實踐性要求很強(qiáng)，例如變壓器的制作，特別是高頻開關(guān)電源變壓器的制作、電感線圈的設(shè)計與制作及PCB的設(shè)計等，都需要從簡單的基本電源電路做起，通過一些作品的制作和訓(xùn)練，不斷摸索，逐漸掌握。因此，賽前準(zhǔn)備和訓(xùn)練是非常重要的?？蓮囊韵聨讉€方面進(jìn)行賽前準(zhǔn)備和訓(xùn)練。

2.1 電源基礎(chǔ)知識的準(zhǔn)備

電源類題目具有實用性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)、技術(shù)水平發(fā)揮余地大的特點(diǎn)。涉及的專業(yè)課程主要有：低頻電路、高頻電路、數(shù)字電路、微機(jī)原理、電子測量、單片機(jī)、可編程邏輯器件和EDA設(shè)計等；實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)有：電子線路實驗課、微機(jī)原理實驗課、課程設(shè)計和生產(chǎn)實習(xí)等；可選用的器件有：晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路、單片機(jī)和可編程邏輯器件等；設(shè)計手段必須采用現(xiàn)代電子設(shè)計方法與開發(fā)工具，如電子繪圖軟件、EDA工具和單片機(jī)編程器等。

具體來講，首先，在熟悉以上知識的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)掌握功率電子技術(shù)方面的知識，特別是MOS管方面的應(yīng)用；其次，是功放、運(yùn)放等內(nèi)容；再次，是單片機(jī)等微控制器如何進(jìn)行數(shù)字控制：相關(guān)內(nèi)容涉及單片機(jī)最小系統(tǒng)、AD/DA轉(zhuǎn)換、數(shù)碼管/液晶顯示、鍵盤輸入等內(nèi)容。至于焊接、各種儀器的使用、各種常用元器件的識別(種類、材質(zhì)、參數(shù)等)、常用芯片的使用方法和引腳定義等當(dāng)然是必須要掌握的。

2.2 常見電源的設(shè)計

訓(xùn)練時可先從最基本的電源拓?fù)?buck、boost、zeta與sepic等)開始，再進(jìn)行單端反激式和單端正激式變換器設(shè)計[5]：如在輸入電壓較低時，可采用推挽變換器；在輸入電壓較高時，采用半橋變換器或橋式變換器設(shè)計。在芯片的選擇上，也應(yīng)先從集成度較高的芯片開始制作，比如LM2576與34063等，再利用集成度中等的UC3842與3843等芯片設(shè)計基本電路或反激變換器。當(dāng)然，在此之前也要花時間學(xué)習(xí)變壓器的制作、計算。

2.3 以歷屆賽題為基礎(chǔ)，選擇已經(jīng)出現(xiàn)過的一些賽題做訓(xùn)練

主要訓(xùn)練這類賽題的共用部分，如變壓器、AC-DC、DC-DC、濾波器、微控制器與ADC/DAC等。完成相關(guān)模塊的設(shè)計制作，以備競賽需要。

2.4 與電源特性和指標(biāo)參數(shù)測試有關(guān)的儀器儀表的設(shè)計與制作

一些賽題會包含這方面的內(nèi)容，如2007年本科組E題“開關(guān)穩(wěn)壓電源”要求測量輸出電壓和電流。

2.5 根據(jù)往屆的賽題做預(yù)測

1) 還有哪些電源類的賽題在競賽中沒有出現(xiàn)過？如大功率電流源與電子負(fù)載等，在訓(xùn)練過程中可事先做一做。

2) 已經(jīng)出現(xiàn)過的一些賽題，考慮一下哪些可能會在放大器、儀器儀表、高頻與控制類等賽題中出現(xiàn)？哪些可能在制作要求方面會有哪些變化？哪些可能在指標(biāo)和功能方面會有哪些變化？如輸出電壓、電流的精度指標(biāo)、帶負(fù)載能力、紋波系數(shù)、效率與穩(wěn)定度等。

另外，訓(xùn)練過程中，電源設(shè)計尤其要注意安全，多動手，要細(xì)心，注意細(xì)節(jié)。如：焊接工藝可靠程度、散熱設(shè)計、電路的布局、隔離措施、PCB的走線、測試點(diǎn)的安置與電路的安裝等。

3 電源類賽題對教學(xué)工作提出了新要求

從近幾屆電源類賽題可以看出，每道題目都不再是對單個或某一方面知識和技能的檢驗，而是對學(xué)生綜合能力的全面考核。目前，課堂教學(xué)中所涉及的與電源設(shè)計相關(guān)的知識，顯然還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足競賽的要求，還需要通過其他環(huán)節(jié)作補(bǔ)充。例如：利用實踐教學(xué)、課余以及假期的賽前訓(xùn)練等拓展學(xué)生的知識面，充實他們電源方面的理論知識，提高他們的實踐技能與創(chuàng)新能力，更重要的是在這些過程中要激發(fā)學(xué)生的實踐興趣。而要想把這項工作做好，教師也必須不斷積累專業(yè)知識和技能，提高業(yè)務(wù)能力和專業(yè)水平，使自己在創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力上有所提高[6]。另外，通過指導(dǎo)學(xué)生參加電子設(shè)計競賽，也會促使教師對各個教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面思考，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和補(bǔ)充，以利于更好地培養(yǎng)符合社會需求的創(chuàng)新性人才[7]。

4 結(jié)束語

電源的種類很多，即使同一種電源由于使用的環(huán)境與需求等的不同，其性能指標(biāo)與電路組成也會相差很大。針對具體的設(shè)計，僅僅靠課堂上的知識和技能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要學(xué)生在實踐中不斷磨煉和成長。但與其他類的題目一樣，電源類題目也不是沒有規(guī)律可循的，電源是能量變換的器件，其輸入和輸出無外乎是交直流電壓和電流，所以各類電源都有很多共性的地方。通過前面的介紹可知，電源類題目涉及的專業(yè)課程、實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)與設(shè)計手段繁多，所以這類題目具有實用性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)、技術(shù)水平發(fā)揮余地更大的特點(diǎn)。

[1] 王立華.大學(xué)生電子設(shè)計競賽電源類賽題分析[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2013，11(1)：152-154.

[2] 黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：8-12.

[3]全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽工作總結(jié)報告[R].北京: 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會，2011.

[4] 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽官方網(wǎng)站[EB/OL ].(1994.1-2013.9) .http://www.nuedc.com.cn/.

[5] 孫孝峰，顧和榮，王立喬，等.高頻開關(guān)型逆變器及其并聯(lián)并網(wǎng)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：62-66.

[6] 王新輝，張躍勤.電子信息工程類大學(xué)生就業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)實踐探索[J].實驗技術(shù)與管理，2010，27(12):20-23.

[7] 姚有峰，張斌，聶麗.從電子設(shè)計競賽談實踐教學(xué)改革與創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索，2009，28(7)：140-142.

New Change of Power Categories Items and Pre-competition Training in NUEDC

WANG Lihua1，GUO Wei2

(1. School of Information Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China；2. Department of Science,Shandong College of Information Technology, Weifang 261061, China)

For power categories items are often appear in the National Undergraduate Electronic Design Contest (NUEDC), they have many characteristics, such as strong practicality, comprehensive strength, big play room for the technical and so on. In this article, it mainly analyzes the characteristics and new changes of power categories items in the recent annual competition, and introduces the main knowledge points, related technologies and related professional courses about power categories items involved. Then, it mainly discusses the pre-competition preparation and pre-competition training for power categories items, in order to make reference and help for NUEDC.

national undergraduate electronic design contest; power technology; power categories item; pre-competition training

2013-09-24

2013年中國高等教育學(xué)會高校學(xué)生工作課題(LX2013T179)。

王立華(1971-)，男，碩士，副教授，研究方向：電源技術(shù)、光伏發(fā)電。

G642 ；TN86

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.04.073