全国大学生电子设计竞赛电源类赛题新变化与赛前训练

王立华，国 伟

(1.山东科技大学 信息科学与工程学院， 山东 青岛 266590；2.山东信息职业技术学院 计算机系，山东 潍坊 260061)

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全国大学生电子设计竞赛电源类赛题新变化与赛前训练

王立华1，国 伟2

(1.山东科技大学 信息科学与工程学院， 山东 青岛 266590；2.山东信息职业技术学院 计算机系，山东 潍坊 260061)

针对电源类题目具有实用性强、综合性强、技术水平发挥余地大等特点，重点介绍了全国大学生电子设计竞赛中经常出现的电源类题目，分析了近几届比赛中电源类题目出现的新变化，介绍了电源类题目所涉及的主要知识点、相关技术和相关专业课程，同时，有针对性地介绍了电源类题目所需的赛前主要准备和训练情况，以期达到以点带面的作用，对全国大学生电子设计竞赛的赛前准备和训练有所借鉴和帮助。

全国大学生电子设计竞赛； 电源技术 ；电源类赛题； 赛前训练

由原国家教委高等教育司倡导并组织的全国大学生电子设计竞赛，从1994年的首届试点到2013年已成功举办了11届。历届竞赛的竞赛题可以归纳为七类[1-2]：电源类、信号源类、高频无线电类、放大器类、仪器仪表类、数据采集与处理类和控制类。电源类题目是其中非常重要的一类，在过去的竞赛中，电源类赛题共有九道题目[3-4]：(1) 简易数控直流电源(1994年A题)；(2) 直流稳压电源(1997年A题)；(3) 数控直流电流源(2005年F题)；(4)三相正弦波变频电源(2005年G题)；(5) 开关稳压电源(2007年E题)；(6) 光伏并网发电模拟装置(2009年A题)；(7) 电能搜集充电器(2009年E题)；(8)开关电源模块并联供电系统(2011年A 题)；(9)单相 AC-DC 变换电路(2013年A 题)。可以看到，从2005年开始，每届都至少会有一道电源类的题目。另外，在全国竞赛的间歇年，各省举办的省级大学生电子设计竞赛中电源类题目也很多，如山东省的电子设计竞赛，近几届就有三道赛题(这三道赛题均由本文作者出题)：(1)简易数控充电电源(2008年E 题)；(2)不间断直流工作电源(2010年H题)；(3)简易逆变电源(2010年I题)。尽管竞赛的赛题种类不同，但是它们都有相通的地方，本文希望能通过对电源类题目及赛前准备的分析起到以点带面的作用，对其他类的竞赛题目的赛前准备和训练有所借鉴和帮助。

1 电源类赛题涉及的主要技术和知识点

回顾历届电源类的题目可以看出，同其他类型的题目一样，其难度逐届增加，设计要求也越来越高，其可大致划分为三个发展阶段：(1)基本直流电源设计阶段(2005年之前)；(2)正弦波变频电源和开关电源设计阶段(2005～2007年)；(3)代表电源新技术的光伏发电、无线充电以及并联均流控制供电等设计阶段(2007年之后)。特别是从2009年开始，电源类题目已不限于设计一个普通的常用电源，“光伏并网发电模拟装置”“电能收集充电器”“并联均流控制供电系统” 以及“单相 AC-DC 变换电路”等题目都涉及目前电源技术发展的热点，也是今后电源类题目出题的方向：新能源、新技术。例如：“光伏并网发电模拟装置”就涉及最大功率点跟踪(MPPT)技术和频率跟踪技术； “电能收集充电器”涉及智能化充电技术；“开关电源模块并联供电系统”涉及并联均流控制技术；“单相 AC-DC 变换电路”涉及自动功率因数校正技术。这些电源技术都是近些年业界研究的热点，要想实现这些技术需要具有较高的软硬件设计水平和掌握较好的算法设计基础。

通过近几届的赛题分析，可得到电源类赛题所涉及的主要知识点和技术。

1.1 电源类赛题所涉及的主要知识点

电源类赛题的主要知识点包括： (1)变频电源、PWM开关电源等工作原理、系统结构和电路的组成；(2)交流变压器和高频开关变压器的设计与制作；(3)交流整流和滤波电路设计与制作；(4)斩波和驱动电路设计与制作；(5)逆变和驱动电路设计与制作；(6)电流、电压检测电路设计与制作；(7)过流和过压保护电路设计与制作；(8)真有效值检测电路设计与制作；(9) ADC和DAC电路设计与制作；(10) DC-DC升压型和降压型开关电源电路设计与制作；(11)直流稳压电路设计与制作；(12)单片机、FPGA、ARM最小系统电路设计与制作；(13)微控制器外围电路(显示器、键盘与开关等)的设计与制作等。

1.2 电源类赛题所涉及的主要技术

与电源相关的技术有：高频变换技术、功率转换技术、数字化控制技术、全谐振高频软开关变换技术、同步整流技术、多相变换器技术、高度智能化技术、并联均流控制技术、饱和电感技术、脉宽调制技术、分布电源技术，以及诸多的电磁兼容相关技术、各种形式的功率因数校正技术、各种保护技术、各种变频技术、各种智能监测技术、各种智能化充电技术、微机控制技术、各种集成化技术、微电网技术、各种形式的驱动技术和先进的工艺技术等。

2 电源类题目的赛前准备和训练

上述电源类赛题中的主要知识点和技术，有一些是学生在专业课程的学习过程中没碰到过的，需要学生自己通过赛前训练去搞清楚，去掌握。因为，设计必须以理论来指导，没有理论基础，盲人摸象，设计一定会有困难。另外，电源类赛题的实践性要求很强，例如变压器的制作，特别是高频开关电源变压器的制作、电感线圈的设计与制作及PCB的设计等，都需要从简单的基本电源电路做起，通过一些作品的制作和训练，不断摸索，逐渐掌握。因此，赛前准备和训练是非常重要的。可从以下几个方面进行赛前准备和训练。

2.1 电源基础知识的准备

电源类题目具有实用性强、综合性强、技术水平发挥余地大的特点。涉及的专业课程主要有：低频电路、高频电路、数字电路、微机原理、电子测量、单片机、可编程逻辑器件和EDA设计等；实践性教学环节有：电子线路实验课、微机原理实验课、课程设计和生产实习等；可选用的器件有：晶体管、集成电路、大规模集成电路、单片机和可编程逻辑器件等；设计手段必须采用现代电子设计方法与开发工具，如电子绘图软件、EDA工具和单片机编程器等。

具体来讲，首先，在熟悉以上知识的基础上，重点掌握功率电子技术方面的知识，特别是MOS管方面的应用；其次，是功放、运放等内容；再次，是单片机等微控制器如何进行数字控制：相关内容涉及单片机最小系统、AD/DA转换、数码管/液晶显示、键盘输入等内容。至于焊接、各种仪器的使用、各种常用元器件的识别(种类、材质、参数等)、常用芯片的使用方法和引脚定义等当然是必须要掌握的。

2.2 常见电源的设计

训练时可先从最基本的电源拓扑(buck、boost、zeta与sepic等)开始，再进行单端反激式和单端正激式变换器设计[5]：如在输入电压较低时，可采用推挽变换器；在输入电压较高时，采用半桥变换器或桥式变换器设计。在芯片的选择上，也应先从集成度较高的芯片开始制作，比如LM2576与34063等，再利用集成度中等的UC3842与3843等芯片设计基本电路或反激变换器。当然，在此之前也要花时间学习变压器的制作、计算。

2.3 以历届赛题为基础，选择已经出现过的一些赛题做训练

主要训练这类赛题的共用部分，如变压器、AC-DC、DC-DC、滤波器、微控制器与ADC/DAC等。完成相关模块的设计制作，以备竞赛需要。

2.4 与电源特性和指标参数测试有关的仪器仪表的设计与制作

一些赛题会包含这方面的内容，如2007年本科组E题“开关稳压电源”要求测量输出电压和电流。

2.5 根据往届的赛题做预测

1) 还有哪些电源类的赛题在竞赛中没有出现过？如大功率电流源与电子负载等，在训练过程中可事先做一做。

2) 已经出现过的一些赛题，考虑一下哪些可能会在放大器、仪器仪表、高频与控制类等赛题中出现？哪些可能在制作要求方面会有哪些变化？哪些可能在指标和功能方面会有哪些变化？如输出电压、电流的精度指标、带负载能力、纹波系数、效率与稳定度等。

另外，训练过程中，电源设计尤其要注意安全，多动手，要细心，注意细节。如：焊接工艺可靠程度、散热设计、电路的布局、隔离措施、PCB的走线、测试点的安置与电路的安装等。

3 电源类赛题对教学工作提出了新要求

从近几届电源类赛题可以看出，每道题目都不再是对单个或某一方面知识和技能的检验，而是对学生综合能力的全面考核。目前，课堂教学中所涉及的与电源设计相关的知识，显然还远远不能满足竞赛的要求，还需要通过其他环节作补充。例如：利用实践教学、课余以及假期的赛前训练等拓展学生的知识面，充实他们电源方面的理论知识，提高他们的实践技能与创新能力，更重要的是在这些过程中要激发学生的实践兴趣。而要想把这项工作做好，教师也必须不断积累专业知识和技能，提高业务能力和专业水平，使自己在创新意识和创新能力上有所提高[6]。另外，通过指导学生参加电子设计竞赛，也会促使教师对各个教学环节进行全面思考，对教学内容进行适当调整和补充，以利于更好地培养符合社会需求的创新性人才[7]。

4 结束语

电源的种类很多，即使同一种电源由于使用的环境与需求等的不同，其性能指标与电路组成也会相差很大。针对具体的设计，仅仅靠课堂上的知识和技能是远远不够的，需要学生在实践中不断磨炼和成长。但与其他类的题目一样，电源类题目也不是没有规律可循的，电源是能量变换的器件，其输入和输出无外乎是交直流电压和电流，所以各类电源都有很多共性的地方。通过前面的介绍可知，电源类题目涉及的专业课程、实践性教学环节与设计手段繁多，所以这类题目具有实用性强、综合性强、技术水平发挥余地更大的特点。

[1] 王立华.大学生电子设计竞赛电源类赛题分析[J].实验科学与技术，2013，11(1)：152-154.

[2] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2011：8-12.

[3]全国大学生电子设计竞赛组委会.2011年全国大学生电子设计竞赛工作总结报告[R].北京: 全国大学生电子设计竞赛组委会，2011.

[4] 全国大学生电子设计竞赛官方网站[EB/OL ].(1994.1-2013.9) .http://www.nuedc.com.cn/.

[5] 孙孝峰，顾和荣，王立乔，等.高频开关型逆变器及其并联并网技术[M].北京：机械工业出版社，2011：62-66.

[6] 王新辉，张跃勤.电子信息工程类大学生就业素质培养实践探索[J].实验技术与管理，2010，27(12):20-23.

[7] 姚有峰，张斌，聂丽.从电子设计竞赛谈实践教学改革与创新能力培养[J].实验室研究与探索，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年中国高等教育学会高校学生工作课题(LX2013T179)。

王立华(1971-)，男，硕士，副教授，研究方向：电源技术、光伏发电。

G642 ；TN86

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.04.073