FPGA在电源类题目中的应用
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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 ƞ 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 电路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、测控电路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 变换电路。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电路，实现 AC-DC 变换电路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 变换电路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 变换电路效率不低于 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 模块构成的并联供电系统（见图 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，使两个模块输出电流之和 IO =1.0A 且按 I1:I2=1:1 模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于 5%。
（4）调整负载电阻，保持输出电压 UO=8.0±0.4V，使两个模块输出电流之和 IO =1.5A 且按 I1:I2= 1:2 模式自动分配电流，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于 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，两个模块的输出电流可在（0.5~2.0）范围内按指定的比例自动分配，每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于 2%。
（2）调整负载电阻，保持输出电压 UO=8.0±0.4V，使两个模块输出电流之和 IO =4.0A 且按 I1:I2=1:1 模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差的绝对值不大于 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=30Ω~36Ω；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=30Ω~36Ω
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=30Ω时，DC-AC变换器的效率η≥60%。
（4）当RS=RL=30Ω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=30Ω时）。
（2）降低输出电压失真度，使THD≤1%（RS=RL=30Ω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，直流电源变换器的电路结构，参数可以不同。监测和控制电路由直流电源变换器供电。由于 Es 的变化极慢，监测和控制电路应该采用间歇工作方式，以降低其能耗。可充电池的电动势 Ec=3.6V，内阻 Rc=0.1Ω
基本要求
（1）在 Rs=100Ω，Es=10V～20V 时，充电电流 Ic 大于（Es-Ec）/（Rs+Rc）。
（2）在 Rs=100Ω 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）监测和控制电路工作间歇设定范围为 0.1 s～5s。
发挥部分
（1）在 Rs=1Ω，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 =1Ω；当 Es＜1.1V 时，取 Rs =0.1Ω。
（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 =1Ω；当 Es＜1.1V时，取 Rs=0.1Ω。
（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、频率和功率的电路，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
从滤波电路输出后直接进入线性稳压电路
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
稳流电路
双运放构成恒流电路
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
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