電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電源題(1)-電源題簡(jiǎn)介
[導(dǎo)讀]全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽是教育部和工業(yè)和信息化部共同發(fā)起的大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽之一，是面向大學(xué)生的群眾性科技活動(dòng)，目的在于推動(dòng)高等學(xué)校促進(jìn)信息與電子類(lèi)學(xué)科課程體系和課程內(nèi)容的改革。競(jìng)賽的特點(diǎn)是與高等學(xué)校相關(guān)專(zhuān)業(yè)的課程體系和課程內(nèi)容改革密切結(jié)合，以推
第一章 電源簡(jiǎn)介
1.1 電源分類(lèi)
1.1.1 電源與電源轉(zhuǎn)換器
?? 電源轉(zhuǎn)換器是能夠?qū)㈦娏δ茉吹男问竭M(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的裝置，它的能量變化過(guò)程是電能→電能，而非其他能量→電能。電源轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換主電源電能的形式或規(guī)格，用于滿足不同用電設(shè)備對(duì)不同電能形式的需要，或用在供電電源與負(fù)載之間，對(duì)電能進(jìn)行變換或穩(wěn)定處理。本書(shū)中所講的“電源”概念，實(shí)際上指的是電源轉(zhuǎn)換器。
1.1.2 電源轉(zhuǎn)換器類(lèi)型
?? AC-AC(交流-交流)轉(zhuǎn)換器：如交流電源變壓器、變頻器等。AC-DC(交流-直流)轉(zhuǎn)換器：整流器。DC-DC(直流-直流)轉(zhuǎn)換器。DC-AC(直流-交流)轉(zhuǎn)換器：逆變器。
（2）根據(jù)轉(zhuǎn)換的方法分類(lèi)，可分為
?? 線性電源：使用工作在線性區(qū)的功率器件調(diào)整管，靠調(diào)整功率管上的電壓降來(lái)穩(wěn)定輸出。線性電源的缺點(diǎn)是：由于調(diào)整管靜態(tài)損耗大，因此效率相對(duì)較低，且需要安裝一個(gè)很大的散熱器來(lái)散熱；由于變壓器工作在工頻(50Hz)上，所以 體積和重量較大。優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高、紋波小、可靠性高，易做成多路、輸出連續(xù)可調(diào)的成品。
??開(kāi)關(guān)電源：開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)輸出電壓的一種電源。它的優(yōu)點(diǎn)是：與同功率檔次的線性電源相比，體積小、重量輕，在高功率產(chǎn)品中這種差異更為明顯，這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源不需要沉重的工頻變壓器和很大容量的濾波電容，同時(shí)開(kāi)關(guān)管功耗比線性電源調(diào)整管小得多，因此所需散熱片面積比較?。婚_(kāi)關(guān)電源的控制方式和電路拓?fù)錄Q定了它的功耗小、轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、濾波效率高、安全可靠、電路形式靈活。開(kāi)關(guān)電源近年來(lái)一直有較大的發(fā)展，研究人員提出了包括高頻化、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、諧振直流環(huán)、屏蔽技術(shù)等在內(nèi)的多項(xiàng)新技術(shù)，很多廠家也都不斷推出高性能高集成度的控制IC，使得開(kāi)關(guān)電源的線路在不斷簡(jiǎn)化的同時(shí)具有更可靠高效的性能。
??開(kāi)關(guān)電源按控制方式可分為：
?? 脈沖調(diào)制變換器：驅(qū)動(dòng)波形為方波。包括PWM調(diào)制、PFM調(diào)制、混合調(diào)制等。
?? 諧振式變換器：驅(qū)動(dòng)波形為使用諧振電路得到的正弦波。包括ZCS(零電流諧振開(kāi)關(guān))、ZVS(零電壓諧振開(kāi)關(guān))等。
??按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為：
?? 隔離式：采用變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離。包括單管正激式、單管反激式、雙管正激式、雙管反激式、推挽式、半橋式和全橋式等類(lèi)型。
?? 非隔離式：拓?fù)渲胁皇褂酶綦x變壓器，輸入與輸出不存在電氣隔離。包括降壓式(Buck)、升壓式(Boost)、升壓降壓式(Buck Boost)、Cuk DC/DC轉(zhuǎn)換器、Zeta DC/DC轉(zhuǎn)換器和SEPIC DC/DC轉(zhuǎn)換器等類(lèi)型。
（3）根據(jù)調(diào)控的效果分類(lèi)，可分為:
?? 穩(wěn)壓電源：能為負(fù)載提供穩(wěn)定的交流或直流電壓的電源。當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，輸出電壓保持不變。
?? 恒流電源：能向負(fù)載提供恒定電流的電源，在電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動(dòng)或阻抗特性發(fā)生變化時(shí)仍能使輸出電流保持恒定。現(xiàn)有的恒流電源的恒流范圍大致為1μA～20A。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點(diǎn)，又可以作為其有源負(fù)載以提高放大倍數(shù)，在差動(dòng)放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中也得到了廣泛應(yīng)用。恒流電源依據(jù)其主要構(gòu)成元件可以分為晶體管恒流源、場(chǎng)效應(yīng)管恒流源、集成運(yùn)放恒流源等。
?? 調(diào)頻/變頻電源：輸出電壓的頻率可調(diào)的(交流)電源。
1.2 電源的各項(xiàng)指標(biāo)
1.2.1 直流電源指標(biāo)
??其中， Uomax為輸入電壓變化時(shí)最大輸出電壓， Uomin為最小輸出電壓值， Uo為額定輸出電壓。
（2）負(fù)載調(diào)整率Si ：負(fù)載調(diào)整率也稱(chēng)為電流調(diào)整率。表示在輸入電壓不變的情況下，在一定范圍內(nèi)改變負(fù)載時(shí)，輸出電壓的最大相對(duì)變化量。即：
??其中， Uo2為空載（或輕載）時(shí)輸出電壓， Uo1為滿載（或重載）時(shí)輸出電壓， Uo為額定負(fù)載時(shí)輸出電壓。
（3） 紋波電壓（電流）的指標(biāo)形式：
??最大紋波電壓(電流)：在額定輸出電壓和負(fù)載電流下，輸出電壓(電流)的紋波(包括噪聲)峰-峰值大小，通常以峰-峰值△Vp-p(△Ip-p)或有效值△Vrms（△Irms）表示。
?? 紋波系數(shù) ：在額定負(fù)載電流下，輸出紋波電壓的有效值與輸出直流電壓之比。即：
1.2.2 交流電源指標(biāo)
（4） 有功功率P：將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量(如機(jī)械能、光能、熱能等)的電功率，單位為瓦特(W)。 有功功率用一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)功率的積分的平均值來(lái)計(jì)算。
??對(duì)于交流電，
??其中，u(t) i(t)分別為瞬時(shí)電壓、電流， T為周期。
??對(duì)于正弦交流電，
??其中， U和I分別為電壓、電流有效值， φ為電壓、電流相位差。
（5） 無(wú)功功率Q：電路中為建立交變磁場(chǎng)和感應(yīng)磁通而需要的電功率，單位為乏(Var)。無(wú)功功率不對(duì)外作功，也不轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚糜陔娐穬?nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交換，并用來(lái)在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)。無(wú)功功率是交流電路中由于電抗性元件(指純電感或純電容)的存在，而進(jìn)行可逆性轉(zhuǎn)換的那部分電功率。
（6） 視在功率S：視在功率是有功功率和無(wú)功功率的向量和，也可以用電壓和電流有效值的乘積來(lái)表示，單位為伏安(VA)或千伏安(kVA)。視在功率表明了用電器從電源(電網(wǎng))獲取的總功率，但并不代表用電器真正消耗的功率。它代表了一種能量之間的交換關(guān)系，也是衡量用電器最大負(fù)荷承受能力的指標(biāo)之一。
（7） 功率因數(shù)PF：功率因數(shù)定義為有功功率P與視在功率S的比值，在正弦交流電中可等效為電壓與電流相位差的余弦值。功率因數(shù)計(jì)算公式為
??其中 φ表示 u(t)和i(t) 的相位差，也稱(chēng)功率因數(shù)角；γ表示基波因數(shù)，定義為基波有效值(均方根值)與真有效值(均方根值)的比值，對(duì)于純正弦交流信號(hào)，γ=1 。
??功率因數(shù)是對(duì)電能進(jìn)行安全有效利用的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，功率因數(shù)值越大，代表電力電子設(shè)備的電能利用率越高。
??如圖所示，“功率三角形”表示視在功率S、有功功率P和無(wú)功功率Q三者在數(shù)值上的關(guān)系。
（8） 諧波失真THD：THD有兩個(gè)常用的定義。在IEC 61000-4-7中，THD定義為指定 次全部諧波分量均方根值與基波分量均方根值之比。公式用來(lái)計(jì)算電壓和電流THD：
??這一THD定義更常見(jiàn)于能源計(jì)量系統(tǒng)，如果基波的貢獻(xiàn)小于其他諧波的總貢獻(xiàn)，得到的THD值可能會(huì)超過(guò)100%。
??THD的另外一個(gè)定義是指定次（ N）全部諧波分量均方根值與總均方根值之比。 總RMS值包括基波和其他諧波的作用。公式分別用來(lái)計(jì)算電壓和電流THD：
?? 在THD的這一定義中，由于總均方根被用作分母，而不僅僅是基波均方根值。因此，得到的值總小于100%。
??在公式中，Vh,rms 和 Ih,rms分別表示電壓、電流的h次諧波有效值。在測(cè)試THD精度時(shí)，需注意所使用的THD定義，因?yàn)檫@兩個(gè)不同的定義會(huì)得出兩個(gè)不同的值。
「第一彈」電子設(shè)計(jì)大賽應(yīng)該準(zhǔn)備什么？
「第一篇」大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，等你來(lái)提問(wèn)。
「第二篇」全國(guó)一等獎(jiǎng)，經(jīng)驗(yàn)帖。
「第三篇」電賽，這些你必須知道的比賽細(xì)節(jié)，文末附上近十年電賽題目下載
「第四篇」電賽控制題可以準(zhǔn)備一些什么？
「第五篇」全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽-電源題設(shè)計(jì)方案總結(jié)
「第六篇」對(duì)于電賽，我們應(yīng)該看重什么？
全國(guó)一等獎(jiǎng)，他的學(xué)習(xí)之路。
從0開(kāi)始，三個(gè)月，獲全國(guó)一等獎(jiǎng)。
獎(jiǎng)狀是怎么煉成的—我的電賽狂魔之旅
全國(guó)一等獎(jiǎng)的獲得者，如今去當(dāng)了人民教師。
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「重磅猜題之第二篇」2019年大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽
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