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FPGA在电源类题目中的应用

备战电赛 - FPGA在电源类题目中的应用
电源题目
2019年A题
任务
设计并制作一个无线充电电动小车及无线充电系统,电动小车可采用成品车改制,全车重量不小于 250 g,外形尺寸不大于 30cm×26cm,圆形无线充电装置发射线圈外径不大于 20cm。无线充电装置的接收线圈安装在小车底盘上,仅采用超级电容(法拉电容)作为小车储能、充电元件。如图 1 所示,在平板上布置直径为 70cm 的黑色圆形行驶引导线(线宽≤2cm),均匀分布在圆形引导线上的A、B、C、D 点(直径为 4cm 的黑色圆点)上分别安装无线充电装置的发射线圈。无线充电系统由 1 台 5V 的直流稳压电源供电,输出电流不大于 1A。
基本要求
(1) 小车能通过声或光显示是否处在充电状态。
(2) 小车放置在 A 点,接通电源充电,60 秒时断开电源,小车检测到发射线圈停止工作自行起动,沿引导线行驶至 B 点并自动停车。
(3) 小车放置在 A 点,接通电源充电,60 秒时断开电源,小车检测到发射线圈均不工作),测量小车行驶距离 L1,L1 越大越好。
发挥部分
(1) 小车放置在 A 点,接通电源充电并开始计时;60 秒时,小车自行起动(小车超过 60 秒起动按超时时间扣分),沿引导线单向不停顿行驶直至停车(沿途由 4 个发射线圈轮流动态充电);180 秒时,如小车仍在行驶,则断开电源,直至停车。测量小车行驶距离 L2,计算 L=L2-L1,L 越大越好。
(2) 在发挥部分(1)测试中,测量直流稳压电源在小车开始充电到停驶时间段内输出的电能 W,计算 K= L2/W,K 越大越好。
方案
单片机采集信号并做控制
发射端:DC-AC变换
接收端:AC-DC变换
器件
高频磁环
厚膜无感电阻(8Ω或 16Ω,不小于 15W)
大功率器件
超级电容
仪器
程控电压源
示波器
万用表
功率分析仪
2017年A题
任务
设计并制作由两个三相逆变器等组成的微电网模拟系统,其系统框图如图 1所示,负载为三相对称 Y 连接电阻负载。
基本要求
(1) 闭合 S,仅用逆变器 1 向负载提供三相对称交流电。负载线电流有效值 Io为 2A 时,线电压有效值 Uo为 24V±0.2V,频率 fo为 50Hz±0.2Hz。
(2) 在基本要求(1)的工作条件下,交流母线电压总谐波畸变率(THD)不大于 3%。
(3) 在基本要求(1)的工作条件下,逆变器 1 的效率 ? 不低于 87%。
(4) 逆变器 1 给负载供电,负载线电流有效值 Io在 0~2A 间变化时,负载调整率 SI1≤0.3%。
发挥部分
(1) 逆变器 1 和逆变器 2 能共同向负载输出功率,使负载线电流有效值 Io达到 3A,频率 fo为 50Hz±0.2Hz。
(2) 负载线电流有效值 Io 在 1~3A 间变化时,逆变器 1 和逆变器 2 输出功率保持为 1:1 分配,两个逆变器输出线电流的差值绝对值不大于 0.1A。负载调整率 SI2≤0.3%。
(3) 负载线电流有效值 Io 在 1~3A 间变化时,逆变器 1 和逆变器 2 输出功率可按设定在指定范围(比值 K 为 1:2~2:1)内自动分配,两个逆变器输出线电流折算值的差值绝对值不大于 0.1A。
方案
通过单片机或FPGA产生SPWM控制波形产生
器件
电流互感器/电压互感器/高频磁环
大功率器件
10欧姆、5A滑线变阻器
仪器
数字示波器
数字万用表
可调稳压源
电能质量分析仪
2015年A题
任务
设计并制作用于电池储能装置的双向 DC-DC 变换器,实现电池的充放电功能,功能可由按键设定,亦可自动转换。系统结构如图 1 所示,图中除直流稳压电源外,其他器件均需自备。电池组由 5 节 18650 型、容量 2000~3000mAh 的锂离子电池串联组成。所用电阻阻值误差的绝对值不大于 5%。
基本要求
接通 S1、S3,断开 S2,将装置设定为充电模式。
(1)U2=30V 条件下,实现对电池恒流充电。充电电流 I1 在 1~2A 范围内步进可调,步进值不大于 0.1A,电流控制精度不低于 5%。
(2)设定 I1=2A,调整直流稳压电源输出电压,使 U2 在 24~36V 范围内变化时,要求充电电流 I1 的变化率不大于 1%。
(3)设定 I1=2A,在 U2=30V 条件下,变换器的效率1 ? ? 90% 。
(4)测量并显示充电电流 I1,在 I1=1~2A 范围内测量精度不低于 2%。
(5)具有过充保护功能:设定 I1=2A,当 U1 超过阈值 U1th=24±0.5V 时,停止充电。A - 2 / 3
发挥部分
(1)断开 S1、接通 S2,将装置设定为放电模式,保持 U2=30±0.5V,此时变换器效率2 ? ? 95%。
(2)接通 S1、S2,断开 S3,调整直流稳压电源输出电压,使 Us 在 32~38V 范围内变化时,双向 DC-DC im电竞体育 官方网站能够自动转换工作模式并保持 U2=30±0.5V。
(3)在满足要求的前提下简化结构、减轻重量,使双向 DC-DC 变换器、测控im电竞体育 官方网站与辅助电源三部分的总重量不大于 500g。
方案
单片机 + PID实现恒流充电和恒压放电
器件
大功率电阻(30Ω/50W/滑线变阻器(10Ω/3A)
滑线变阻器(50Ω/2A)
仪器
5位半万用表
示波器
直流稳压电源
2013年A题
任务
设计并制作如图 1 所示的单相 AC-DC 变换im电竞体育 官方网站。输出直流电压稳定在 36V,输出电流额定值为 2A。
基本要求
(1)在输入交流电压 Us=24V、输出直流电流 Io=2A 条件下,使输出直流电压Uo=36V±0.1V。
(2)当 Us=24V,Io在 0.2A~2.0A 范围内变化时,负载调整率 SI ≤ 0.5%。
(3)当 Io=2A,Us 在 20V~30V 范围内变化时,电压调整率 SU ≤ 0.5%。
(4)设计并制作功率因数测量im电竞体育 官方网站,实现 AC-DC 变换im电竞体育 官方网站输入侧功率因数的测量,测量误差绝对值不大于 0.03。
(5)具有输出过流保护功能,动作电流为 2.5A±0.2A。A - 2 / 3
发挥部分
(1)实现功率因数校正,在 Us=24V,Io=2A,Uo=36V 条件下,使 AC-DC 变换im电竞体育 官方网站交流输入侧功率因数不低于 0.98。
(2)在 Us=24V,Io=2A,Uo=36V 条件下,使 AC-DC 变换im电竞体育 官方网站效率不低于 95%。
(3)能够根据设定自动调整功率因数,功率因数调整范围不小于 0.80~1.00,稳态误差绝对值不大于 0.03。
2011年A题
任务
设计并制作一个由两个额定输出功率均为 16W 的 8V DC/DC ?楣钩傻牟⒘┑缦低常 1)。
基本要求
(1)调整负载电阻至额定输出功率工作状态,供电系统的直流输出电压UO=8.0±0.4V。
(2)额定输出功率工作状态下,供电系统的效率不低于 60% 。
(3)调整负载电阻,保持输出电压 UO=8.0±0.4V,使两个?槭涑龅缌之和 IO =1.0A 且按 I1:I2=1:1 模式自动分配电流,每个?榈氖涑龅缌鞯南喽晕蟛罹灾挡淮笥 5%。
(4)调整负载电阻,保持输出电压 UO=8.0±0.4V,使两个?槭涑龅缌之和 IO =1.5A 且按 I1:I2= 1:2 模式自动分配电流,每个?槭涑龅缌鞯南喽晕蟛罹灾挡淮笥 5%。
发挥部分
(1)调整负载电阻,保持输出电压 UO=8.0±0.4V,使负载电流 IO在 1.5~3.5A之间变化时,两个?榈氖涑龅缌骺稍冢0.5~2.0)范围内按指定的比例自动分配,每个?榈氖涑龅缌飨喽晕蟛畹木灾挡淮笥 2%。
(2)调整负载电阻,保持输出电压 UO=8.0±0.4V,使两个?槭涑龅缌之和 IO =4.0A 且按 I1:I2=1:1 模式自动分配电流,每个?榈氖涑龅缌鞯南喽晕蟛畹木灾挡淮笥 2%。
(3)额定输出功率工作状态下,进一步提高供电系统效率。
(4)具有负载短路保护及自动恢复功能,保护阈值电流为 4.5A(调试时允许有±0.2A 的偏差)
方案
电压源和电流源并联
两开关电源并联
单片机测量控制
器件
高频磁芯/漆包线
大功率电阻(2Ω/36W、10Ω/36W等)/滑线变阻器(100Ω/2A、10Ω/5A)
2009年A题
任务
设计并制作一个光伏并网发电模拟装置,其结构框图如图 1 所示。用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池,US=60V,RS=30?~36?;uREF为模拟电网电压的正弦参考信号,其峰峰值为 2V,频率fREF为 45Hz~55Hz;T为工频隔离变压器,变比为n2:n1=2:1、n3:n1=1:10,将uF作为输出电流的反馈信号;负载电阻RL=30?~36?
基本要求
(1)具有最大功率点跟踪(MPPT)功能:RS和RL在给定范围内变化时,使Ud = 1/2 Us, 相对偏差的绝对值不大于 1%。
(2)具有频率跟踪功能:当fREF在给定范围内变化时,使uF的频率fF=fREF,相对偏差绝对值不大于 1%。
(3)当RS=RL=30?时,DC-AC变换器的效率η≥60%。
(4)当RS=RL=30?时,输出电压uo的失真度THD≤5%。
(5)具有输入欠压保护功能,动作电压Ud(th)=(25±0.5)V。
(6)具有输出过流保护功能,动作电流Io(th)=(1.5±0.2)A。
发挥部分
(1)提高DC-AC变换器的效率,使η≥80%(RS=RL=30?时)。
(2)降低输出电压失真度,使THD≤1%(RS=RL=30?时)。
(3)实现相位跟踪功能:当fREF在给定范围内变化以及加非阻性负载时,均能保证uF与uREF同相,相位偏差的绝对值≤5°。
(4)过流、欠压故障排除后,装置能自动恢复为正常状态。
(5)其他。
方案
用FPGA、DDS实现DC-AC变换
要求频率、相位、幅度和波形(失真度)完全一致,需要跟踪
最大功率点跟踪(MPPT)
器件
隔离变压器:额定功率50W,3个绕组变比n1:n2:n3=20:10:1,电流依次为I1=1.5A、I2=3A、I3=0.1A/漆包线
电阻器:30Ω/30W,36Ω/30W
仪器
数字示波器
4位半数字万用表
数字信号源
双路可跟踪直流稳压电源
2009年E题
任务
设计并制作一个电能收集充电器,充电器及测试原理示意图如图 1。该充电器的核心为直流电源变换器,它从一直流电源中吸收电能,以尽可能大的电流充入一个可充电池。直流电源的输出功率有限,其电动势 Es 在一定范围内缓慢变化,当 Es 为不同值时,直流电源变换器的im电竞体育 官方网站结构,参数可以不同。监测和控制im电竞体育 官方网站由直流电源变换器供电。由于 Es 的变化极慢,监测和控制im电竞体育 官方网站应该采用间歇工作方式,以降低其能耗?沙涞绯氐牡缍 Ec=3.6V,内阻 Rc=0.1?
基本要求
(1)在 Rs=100?,Es=10V~20V 时,充电电流 Ic 大于(Es-Ec)/(Rs+Rc)。
(2)在 Rs=100? 时,能向电池充电的 Es 尽可能低。
(3)Es 从 0 逐渐升高时,能自动启动充电功能的 Es 尽可能低。
(4)Es 降低到不能向电池充电,最低至 0 时,尽量降低电池放电电流。
(5)监测和控制im电竞体育 官方网站工作间歇设定范围为 0.1 s~5s。
发挥部分
(1)在 Rs=1?,Es=1.2V~3.6V 时,以尽可能大的电流向电池充电。
(2)能向电池充电的 Es 尽可能低。当 Es≥1.1V 时,取 Rs =1?;当 Es<1.1V 时,取 Rs =0.1?。
(3)电池完全放电,Es 从 0 逐渐升高时,能自动启动充电功能(充电输出端开路电压
>3.6V,短路电流>0)的 Es 尽可能低。当 Es≥1.1V 时,取 Rs =1?;当 Es<1.1V时,取 Rs=0.1?。
(4)降低成本
方案
1: 采用现有集成芯片
2: 采用单片机或FPGA实现PWM调制
器件
隔离变压器:额定功率50W,3个绕组变比n1:n2:n3=20:10:1,电流依次为I1=1.5A、I2=3A、I3=0.1A/漆包线
仪器
4位半万用表
直流稳压电源
数字示波器
5位半万用表
变阻器
2007年E题
基本要求
(1)输出电压 Uo可调范围:30V~36V;
(2)最大输出电流 IOmax:2A;
(3)U2从 15V 变到 21V 时,电压调整率 SU≤2%(IO=2A);
(4)IO从 0 变到 2A 时,负载调整率 SI≤5%(U2=18V);
(5)输出噪声纹波电压峰-峰值 UOPP≤1V(U2=18V,UO=36V,IO=2A);
(6)DC-DC 变换器的效率?≥70%(U2=18V,UO=36V,IO=2A);
(7)具有过流保护功能,动作电流 IO(th)=2.5±0.2A;
发挥部分
(1)进一步提高电压调整率,使 SU≤0.2%(IO=2A);
(2)进一步提高负载调整率,使 SI≤0.5%(U2=18V);
(3)进一步提高效率,使?≥85%(U2=18V,UO=36V,IO=2A);
(4)排除过流故障后,电源能自动恢复为正常状态;
(5)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
方案
单片机或FPGA最小系统
ADC采集电流和电压值
PID调节PWM
器件
隔离变压器(150W,220V/18V)/漆包线(直径不大于1mm)
康铜、锰铜电阻丝
仪器
4位半万用表
模拟示波器
2005年F题
任务
设计并制作数控直流电流源。输入交流 200~240V,50Hz;输出直流电压≤10V。其原理示意图如下所示。
基本要求
(1)输出电流范围:200mA~2000mA;
(2)可设置并显示输出电流给定值,要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1%+10 mA;
(3)具有“+”、“-”步进调整功能,步进≤10mA;
(4)改变负载电阻,输出电压在 10V 以内变化时,要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的 1%+10 mA;
(5)纹波电流≤2mA;
(6)自制电源。
发挥部分
(1)输出电流范围为 20mA~2000mA,步进 1mA;
(2)设计、制作测量并显示输出电流的装置 (可同时或交替显示电流的给定值和实测值),测量误差的绝对值≤测量值的 0.1%+3 个字;
(3)改变负载电阻,输出电压在 10V 以内变化时,要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的 0.1%+1 mA;
(4)纹波电流≤0.2mA;
(5)其他。
方案
单片机最小系统
输入控制
参数显示
FPGA构成控制器
恒流源部分
三端可调式集成稳压器构成
数控稳压器构成
电流串联负反馈构成
电流测量
电流/电压转换、放大
ADC
可以用单片机内部ADC
PWM + 比较器 + FPGA逻辑构成ADC
仪器
数字电流表
低频毫伏表
采样电阻,0.5ohm
器件
隔离变压器(250W,220V/60V)
康铜、锰铜电阻丝
2005年G题
任务
设计并制作一个三相正弦波变频电源,输出线电压有效值为 36V,最大负载电流有效值为 3A,负载为三相对称阻性负载(Y 接法)。变频电源框图如下图所示
基本要求
(1)输出频率范围为 20Hz~100Hz 的三相对称交流电,各相电压有效值之差小于0.5V;
(2)输出电压波形应尽量接近正弦波,用示波器观察无明显失真;
(3)当输入电压为 198V~242V,负载电流有效值为 0.5~3A 时,输出线电压有效值应保持在 36V,误差的绝对值小于 5%;
(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。
发挥部分
(1)当输入电压为 198V~242V,负载电流有效值为 0.5~3A 时,输出线电压有效值应保持在 36V,误差的绝对值小于 1%;
(2)设计制作具有测量、显示该变频电源输出电压、电流、频率和功率的im电竞体育 官方网站,测量误差的绝对值小于 5%;
(3)变频电源输出频率在 50Hz 以上时,输出相电压的失真度小于 5%;
方案
间接变频
AC-DC-AC
用FPGA来产生PWM信号、实现控制及输入、输出
正弦脉冲宽度调制SPWM
DDS合成
可以用单片机最小系统实现控制及输入、输出
测量
电压测量
有效值/直流转换芯片AD637 + ADC
电流测量
电流传感器 + 放大 + 有效值/直流转换 + ADC
仪器
交流电流表
自动失真度仪
4位半数字万用表
等精度频率计
函数、任意波形信号发生器
数字存储示波器
1997年A题
基本要求
(1)稳压电源 在输入电压 220V、50Hz、电压变化范围+15%~-20%条件下:
a.输出电压可调范围为+9V~+12V
b.最大输出电流为 1.5A
c.电压调整率≤0.2%(输入电压 220V 变化范围+15%~-20%下,空载到满载)
d.负载调整率≤1%(最低输入电压下,满载)
e.纹波电压(峰-峰值)≤5mV(最低输入电压下,满载)
f.效率≥40%(输出电压 9V、输入电压 220V 下,满载)
g.具有过流及短路保护功能
(2)稳流电源 在输入电压固定为+12V 的条件下:
a.输出电流:4~20mA 可调
b.负载调整率≤1%(输入电压+12V、负载电阻由 200Ω~300Ω
变化时,输出电流为 20mA 时的相对变化率)
(3)DC-DC 变换器 在输入电压为+9V~+12V 条件下:
a.输出电压为+100V,输出电流为 10mA
b.电压调整率≤1%(输入电压变化范围+9V~+12V)
c.负载调整率≤1%(输入电压+12V 下,空载到满载)
d.纹波电压(峰-峰值)≤100mV (输入电压+9V 下,满载)
发挥部分
(1)扩充功能
a.排除短路故障后,自动恢复为正常状态
b.过热保护
c.防止开、关机时产生的“过冲”
(2)提高稳压电源的技术指标
a.提高电压调整率和负载调整率
b.扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值
(3)改善 DC-DC 变换器
a.提高效率(在 100V、100mA 下)
b.提高输出电压
(4)用数字显示输出电压和输出电流
方案
直流稳压源
采用单级开关电源,经220V交流整流后,开关电源稳压输出
从滤波im电竞体育 官方网站输出后直接进入线性稳压im电竞体育 官方网站
在线性稳压器前加DC-DC变换,采用PWM技术,并采用恒压差控制
稳流im电竞体育 官方网站
双运放构成恒流im电竞体育 官方网站
利用集成基准电压源
采用精密电压基准源
DC-DC变换
Boost型DC-DC升压
带变压器的开关电源
采用专用的开关升压芯片
测量显示
ADC + LED数码管
仪器
数字电压表
稳流电源
示波器
电流表
1994年A题
基本要求
(1)输出电压:范围 0~+9.9V,步进 0.1V,纹波不大于 10mV;
(2)输出电流:500mA;
(3)输出电压值由数码管显示;
(4)由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减;
(5)为实现上述几部件工作,自制一稳压直流电源,输出±15V,+5V。
发挥部分
(1)输出电压可预置在 0~9.9V 之间的任意一个值;
(2)用自动扫描代替人工按键,实现输出电压变化(步进 0.1V 不变);
(3)扩展输出电压种类(比如三角波等)
方案
单片机最小系统
按键控制
预置拨码开关输入控制
电压控制字输出
显示控制
电流过流时的软件保护
报警
DDS信号发生器
DAC:DAC0832
功率放大
可以使用FPGA来实现
DAC或PWM产生可调节的直流电压
功率放大器增强驱动能力
按键输入、参数显示都可以实现
仪器
4位半电压表
常用的元器件
基准电压源
常用型号
LM313
LM385
MC1403
LM336
LM399
TL431
MC1404
AD584
REF5025
国产器件
电压采样
AD637
电流采样
INA270
INA282
直流恒流源
2DH1-15
CR022-CR470
3DH010-3DH050
LM134/234/334
AD590
4DH1、2、3、4
线性稳压器件
固定输出:78xx/79xx系列
输入电压固定
不同电流的封装不同
只能降压,压差较大
可调输出:117/317、137/237系列
三端可调
只能降压、压差较大
开关稳压器件
LT1170
TL494
MC34063
LM2576
UC3843
MAX1708
TPS61200
LH25576
集成运放
OP07
LF356
UA741
LM324
LM358
TL082
AD620
TLV2462
ADC
ICL7107
ADC0809
DAC
TLV5618、5638
子曰
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2021-04-28
FPGA 数字逻辑 电赛