电力电子课程设计
第1章 概 述 ................................................................................................................ - 2 - 第2章 系统总体方案 .................................................................................................... - 4 - 2.1 高频开关稳压电源的基本原理............................................................................... - 4 - 2.2 高频开关稳压电源总方案 ...................................................................................... - 4 - 2.3 高频开关稳压电源的组成电路及功能 ................................................................... - 5 - 2.3.1 主电路 .............................................................................................................. - 5 - 2.3.2 控制电路 .......................................................................................................... - 6 - 2.3.3 保护电路 .......................................................................................................... - 7 - 2.3.4 驱动电路 .......................................................................................................... - 7 - 第3章 主电路设计 ........................................................................................................ - 7 - 3.1主电路形式选择 ....................................................................................................... - 7 - 3.2高频变压器的参数 ................................................................................................... - 8 -
3.2.1原副边电压比n .............................................................................................. - 8 - 3.2.2磁芯的选取及变压器的结构 ........................................................................... - 8 - 3.2.3 变压器初、次级匝数 .................................................................................... - 9 - 3.2.4 确定绕组的导线线径和导线股数 ................................................................ - 9 - 3.3开关管的选择 ........................................................................................................... - 9 -
第4章 控制电路设计 .................................................................................................... - 9 - 4.1 主电路 ...................................................................................................................... - 9 - 4.2控制电路的设计 ..................................................................................................... - 11 - 4.2.1SG3525结构和功能介绍 ................................................................................. - 11 - 4.2.2 控制电路的设计 ............................................................................................ - 12 - 4.3驱动电路的设计 ..................................................................................................... - 13 - 第5章 系统性能测试与结果 ...................................................................................... - 14 - 5.1负载调整率测试 ..................................................................................................... - 14 - 5.2电压调整率测试 ..................................................................................................... - 15 - 5.3 效率测试 ................................................................................................................ - 15 - 5.4 输出纹波电压及噪音测试 .................................................................................... - 16 - 第6章 心得体会 ............................................................................................................ - 16 - 附录： 总电路图 ............................................................................................................ - 18 - 参考文献 ............................................................................................... 错误！未定义书签。 电气与信息工程系课程设计评分表 ................................................... 错误！未定义书签。
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第1章 概 述
电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域,没有它的存在，现代的各种电力设备和给我们生活带来方便的各种电器将不可能实现。有相当一部分设备和电器是使用直流电的，而接入家庭的是都是交流电，这就需要电源转换成所需的直流电。各种AC-DC电源中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻等突出优点．而得到了广泛应用。
高频稳压电源要求高功率密度，外型尺寸小，高效率，高可靠性，
高功率因数，以及智能化，低成本，EMI小，可制造性，分布电源结构等。现在功率MOSFET和IGBT己完全取代功率晶体管和中小电流的晶闸管，使开关电源的高频化有了可能:器件的工作频率可达400KHz(AC-DC开关变换器)和1MHz(DC-DC开关变换器)，超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发，也为研制高效，低电压输出(U<3V)的开关电源创造了条件。电源按硬开关模式工作时开关损耗大，高频化可以缩小电源的体积重量，但开关的损耗更大了.为此研究开发出开关电压/电流波形不交叠的技术，即零电压(ZVS) /零电(ZCS)软开关技术，有效的提高了开关电源的效率·例如在九十年代中期30A/48V开关整流器模块采用移相全桥ZVS-PWM技术后，仅重7kg。比用PWM技术的同类产品，重量下降40%.最近国外小功率AC-DC开关电源模块(48/12V)总效率可达到%%;48/5VAC-DC开关电源模块的效率可达到92-93%，二十世纪末，国产的50-100A输出，全桥移相ZV-ZCS-PWM开关电源模块的效率超过93%.
电流型控制及多环控制已得到较普遍应用，电荷控制，一周期控制，数字信号处理器(DSP)控制等技术的开发及相应专用集成控制芯片的研制，使电子电源动态性能有很大提高，电路也有大幅度简化。
电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域,在现代的各种电力设备中都得到里广泛的应用。特别是在小型及各种家用电器和电子设备
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中大量使用了各种AC—DC转化电路，其中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻等突出优点而得到最为广泛的应用。本课题是设计一种基于SG3525 PWM控制芯片为核心构成的高频开关电源电路。
SG3525芯片能同时满足较好的电气性能和较低的成本,因而被广泛用于小功率开关电源。用其作为PWM控制芯片组成的电路具有结构简单、体积小、容易实现的特点。实验表明由该PWM控制芯片控制的开关电源的性能可同集成稳压器媲美,效率比线性稳压电源高,有很好的发展前景。
电子电源微处理器监控，电源系统内部通信，电源系统智能化技术以及电力电子系统的集成化与封装技术。总之，开发高功率密度，高效率，高性能，高可靠性以及智能化电源系统仍然是今后开关电源技术的发展方向.
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第2章 系统总体方案
2.1 高频开关稳压电源的基本原理
高频开关稳压电源是需要直流电设备中常用的AC-DC转换电源，它的作用是把公网上的220v交流电转换成适用的直流电。公网上的工频交流电先整流滤波为固定直流，通过功率变换（高频逆变）得到20~50KHz的高频交流，然后再经高频整流与滤波，就得到所需的直流电。工频整流滤波由桥式电路实现，功率变换由PWM控制芯片按周期控制开关管的导通实现，高频整流与滤波由副边感应线圈、二极管和电容组成的LCD电路实现。
公网上的工频交流电可通过桥式电路整流滤波后初步转换成固定直流即图中的直流电源U 。由PWM控制芯片控制开关管Q 的导通与否。当开关管Q 导通时,忽略其饱和压降,电源电压U 加在主变原边，副边感应电压于二极管D 极性相反使二极管D 反偏截止,副边电路中无电流,直流电源U 供给的能量临时储存于主变原边电感中。当开关管Q 截止时,电感产生反压,为上负下正，同时在副边感应出电压,为上正下负与二极管D 极性相同使二极管D 导通,电容C 充电,同时给负载R 供电,主变原边储能转移到副边从而得到释放。当开关管Q 重新导通时,电容C 给负载R 供电,同时主变原边重新储能,如此反复电阻R 上就得到直流电。输出电压的大小由原副边匝比n、占空比d 和输入电压U 来决定。
2.2 高频开关稳压电源总方案
本课题的任务是设计一种简单、可靠、成本低廉的高频开关稳压电源,根据对本课题任务书的认真分析并参考各种资料最终选用以低成本的SG3525 PWM控制芯片为核心构成开关稳压电源。图2.2为高频开关稳压电源的基本框图。
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整流 逆变 驱动 直流 工作电源 电压反馈 高频整流
PWN 控制 图2.2 高频开关稳压电源的基本框图。
在基本框图中的第一个整流滤波环节是把从公网上输入的交流电初步转换成直流电，该直流电的电压U 与公网电压相同，并不符合设计要求。还要再经过逆变和高频整流滤波环节才能用于设备。
逆变环节的作用是把经工频整流滤波环节产生的直流电U 重新变为指定频率的交流电。逆变所得的交流电的电压与逆变前的直流电压U 相同。交流电的频率与逆变电路中开关管Q 的导通频率相同，开关管的导通是由SG3525 PWM控制芯片决定的。
逆变后的高频交流经过由变压器副边线圈、续流二极管和电容组成的LCD电路就可得到所需的直流电。其输出电压的大小由变压器原副边匝比n、占空比d 和输入电压U 来决定。
在转化过程中公网中的交流电压不是一成不变的，为了得到稳定的直流电，只能对占空比d进行不断的调整。故加入电压检测电路，并把检测结果送入脉宽调制中构成负反馈。
2.3 高频开关稳压电源的组成电路及功能
2.3.1 主电路
半桥式开关电源主电路如图3 所示。图中开关管Q1、Q2 选用MOSFET, 因为它是电压驱动全控型器件,具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速
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度快及安全工作区大等优点。半桥式逆变电路一个桥臂由开关管Q1、Q2 组成, 另一个桥臂由电容C6、C7 组成。高频变压器初级一端接在C6、C7 的中点, 另一端接在Q1、Q2 的公共连接端, Q1、Q2 中点的电压等于整流后直流电压的一半,开关Q1、Q2 交替导通就在变压器的次级形成幅值为V i/2的交流方波电压。通过调节开关管的占空比, 就能改变变压器二次侧整流输出平均电压V o。Q1、Q2断态时承受的峰电压均为V i，由于电容的隔直作用，半桥型电路对由于两个开关管导通时间不对称而造成的变压器一次电压的直流分量具有自动平衡作用，因此该电路不容易发生变压器偏磁和直流磁饱和的问题，无须另加隔直电容变压器原边并联的R2、C5组成RC吸收电路，用来吸收高频尖峰。得注意的是，在半桥电路中，占空比定义为[2]：D=2ton/Ts
2.3.2 控制电路
控制电路是开关电源的核心部分，控制环节的好坏直接影响电路
的整体性能，在这个电路中采用的是以SG3525芯片为核心的控制电路。采用恒频脉宽调制控制方式。误差放大器的输入信号是电压反馈信号,是由输出电压经分压电路获取,与普通误差放大器的接法不同的是该电压反馈接成射极跟随器形式，反馈信号比较精确，因而可以精确地制占空比调节输出电压，提高了稳压精度。SG3525芯片振荡频率的设定围为100～ 500 kHz, 芯片的脚5 和脚7 间串联一个电阻Rd 就可以在较大范围内调节死区时间。 SG3525的振荡频率可表示为[2]：f s =1/(CT (0.7RT + 3R d))式中: CT , RT 分别是与脚5、脚6 相连的振荡器的容和电阻; R d 是与脚7 相连的放电端电阻值。此处CT 、 RT 、R d分别为图中的C53、R47、R48，取值分别为2200p、10k、100，即频率62khz。管脚8 接一个电容的作用是用来软启动，减少功率开关管的开机冲击。1 和14 脚输出采用图腾柱输出,本电路采用外加驱动隔离电路，增强驱
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动能力和电源的可靠性。
2.3.3 保护电路
保护电路是开关电源中必不可少的补充，在这个电路中采用了输入过流保护、输出过流保护、过热保护等。输入过流保护是通过在原边主电路中串入小磁环，小磁环感应电压输出经过 整流桥将电流信号转为电压信号（plp）经一个三极管接至软启动8脚，当原边电流大于设定值即plp高于0.7v时则将8脚电压拉低， 关断3525的PWM的输出从而保护电路。输出过流保护
2.3.4 驱动电路
是通过在副边主回路中串联分流器，取样分流器两端的电压信号送到误差大器的反相端，正常工作时运放输出高电平，当输出过流时，运放输出为低电平而拉低电压反馈信号，从而使 PWM 占空比减小，实现输出电流保护。过热保护是通过一个温控开关到 3525 的10 脚来实现的，当过热时温控开关闭合以关闭使 8脚电压拉低从而关闭PWM输出。
第3章 主电路设计
3.1主电路形式选择
电子设备对电源在体积、重量、效率等方面提出了越来越高的要求。选择好的主电路形式对电源的质量至关重要。主电路形式主要依据输出功率大小，输出电压高低进行选择。若输出功率较大时宜采用三相输入电源及桥式输入电路；若输出功率较小但输出电压较高时宜采用反激变换器电路等。采用单相输入电路时对功率器件、输入滤波电容等的耐压
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要求较低，元器件的成本也相对较低，因而输出功率较小时优先选用单相输入电路。单端反激式开关电源具有体积小、重量轻、效率高、线路简单和可靠性高等优点。根据本课题所设计电源的技术要求，可选择电源电路结构为单端反激型。
3.2高频变压器的参数
3.2.1原副边电压比n
电压比计算的原则是电路在最大占空比和最低输入电压的条件下，输出电压能达到要求的上限，公式如下： n≤ViminDmax/(Vomax＋ V) △ 式中 V △ 为电路中的压降，一般取 2V，取 Vimin＝130V，代入上式得 n＝0.42
3.2.2磁芯的选取及变压器的结构
目前变压器较为简洁常用的设计方法是Ap法。可根据下面公式选取合适的磁芯： AP=AeAW≥Pt/（2f Bk △ cj） 式中，Ae为磁芯截面积；Aw为磁芯的窗口截面积；Pt为变压器传输的总功率；f为开关频率；△B 为磁芯材料所允许的最大磁通摆幅； kc 为绕组的窗口填充系数j 为导线的电流密度。在这里有 PT=800×（1＋1/0.85）, 0.85 为效率，里△B 取 0.2T， kc 取 0.4，j一般取 4A/mm2。查有关磁芯手册，查得 EE55 磁芯，其 Ae=353mm2，Aw=280mm2，则其Ap=98840mm4。考虑到留有一定的裕量使电源更可靠地工作，这里采用两个磁芯组合而成。 由于变压器传输的功率较大，寄生参数对其影响很大。所以变压器的绕制方法很重要，否则会引起变压器的性能下降。为了减小漏感，这里采用三明治绕法。同时，为了减小高频噪音和变压器的分布电容，原副边之间加入屏蔽层。
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3.2.3 变压器初、次级匝数
为了保证在任何条件下磁芯不饱和，设计时应按照最大伏－秒面积计算匝数。因为电路中电压的波形都是方波，所以最大伏－秒面积的计算可以简化为电压和脉冲宽度的乘积。通常计算二次侧最大伏－秒面积较为方便。对半桥电路有： N2=vo/（2BAefs △ ） ，N1 =n×N2 代入数值计算得，变压器的次级匝数为 30.6 匝，实际电路中取 35 匝，由原副边电压比 n 可计算得到变压器的初次级匝数为 15 匝。
3.2.4 确定绕组的导线线径和导线股数
在选用绕组的导线线径，要考虑导线的集肤效应。为了更有效的利用导线，减小集肤效应的影响，一般要求导线线径小于两倍穿透深度△，即应选用线径 r 小于 2△＝0.42mm2的铜导线[1]。在此采用 0.31mm线径的导线多股并绕。原、副边导线的截面积分别为：AC1=Iomax/jn=4/4=0.428mm2 ， AC2=Iomax/j=4/4=1mm2 单股线面积为： 3.14×0.31×0.31/4=0.0754mm2 计算原边和副边的导线股数分别为： 1/0.0754=13.26 （股） ，0.428/0.0754=5.67（股）
3.3开关管的选择
交流输入电压的最大值为260V，整流滤波后的直流电压的最大值为368V。所以功率开关管关断时最大漏极电压为368V，应选择耐压在600V以上的功率开关管。
第4章 控制电路设计
4.1 主电路
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半桥式开关电源主电路如图1 所示。图中开关管Q1、Q2 选用MOSFET, 因为它是电压驱动全控型器件,具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快及安全工作区大等优点。半桥式逆变电路一个桥臂由开关管Q1、Q2 组成, 另一个桥臂由电容C6、C7 组成。高频变压器初级一端接在C6、C7 的中点, 另一端接在Q1、Q2 的公共连接端, Q1、Q2 中点的电压等于整流后直流电压的一半,开关Q1、Q2 交替导通就在变压器的次级形成幅值为V i/2的交流方波电压。通过调节开关管的占空比, 就能改变变压器二次侧整流输出平均电压V o。Q1、Q2断态时承受的峰电压均为V i，由于电容的隔直作用，半桥型电路对由于两个开关管导通时间不对称而造成的变压器一次电压的直流分量具有自动平衡作用，因此该电路不容易发生变压器偏磁和直流磁饱和的问题，无须另加隔直电容变压器原边并联的R2、C5组成RC吸收电路，用来吸收高频尖峰。得注意的是，在半桥电路中，占空比定义为[2]：D=2ton/Ts
图1 开关电源主电路
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4.2控制电路的设计
控制电路的核心是根据反馈控制原理，将期望输出电压信号与实际输出电压信号进行比较，利用误差信号对功率开关器件的导通与关断比例进行调节，从而实现实际输出电压维持在期望输出电压附近的目标。本课题选用SG3525芯片做集成控制器。
4.2.1SG3525结构和功能介绍
PWM控制芯片SG3525 具体的内部引脚结构如图1及图2所示。其中脚16 为SG3525 的基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚5、脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器 的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB 左右。 根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9 和脚1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。
S12345678IN-IN+SYNCOSCCTRTDISSSVRET16VI15OUTB14VCCGND1312OUTA11SD10COMP9 - 11 -
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4.2.2 控制电路的设计
控制电路是开关电源的核心部分，控制环节的好坏直接影响电路的整体性能，在这个电路中采用的是以SG3525芯片为核心的控制电路。如图2所示,采用恒频脉宽调制控制方式。误差放大器的输入信号是电压反馈信号,是由输出电压经分压电路获取,与普通误差放大器的接法不同的是该电压反馈接成射极跟随器形式，反馈信号比较精确，因而可以精确地控制占空比调节输出电压，提高了稳压精度。SG3525芯片振荡频率的设定范围为100～ 500 kHz, 芯片的脚5 和脚7 间串联一个电阻Rd 就可以在较大范围内调节死区时间。 SG3525的振荡频率可表示为[2]：f s =1/(CT (0.7RT + 3R d)) 式中: CT , RT 分别是与脚5、脚6 相连的振荡器的电容和电阻; R d 是与脚7 相连的放电端电阻值。此处
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CT 、 RT 、R d分别为图中的C53、R47、R48，取值分别为2200p、10k、100，即频率为62khz。 管脚8 接一个电容的作用是用来软启动， 减少功率开关管的开机冲击。 11 和14 脚输出采用图腾柱输出,本电路采用外加驱动隔离电路，增强了驱动能力和电源的可靠性。保护电路是开关电源中必不可少的补充，在这个电路中采用了输入过流保护、输出过流保护、过热保护等。输入过流保护是通过在原边主电路中串入小磁环，小磁环感应电压输出经过 整流桥将电流信号转为电压信号（plp）经一个三极管接至软启动8脚，当原边电流大于设定值即plp高于0.7v时则将8脚电压拉低， 关断3525的PWM的输出从而保护电路。输出过流保护
图2 控制电路
4.3驱动电路的设计
输出采用图腾柱输出,本电路采用外加驱动隔离电路，增强了驱动能力和电源的可靠性。驱动隔离电路如图3 所示。
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图3 驱动隔离电路
4.4保护电路
控制电路是电源电路中工作电压最低的地方，在主电路中的正常和非正常电压或电流都可能破坏控制电路。所以控制电路的保护和其与主电路的隔离至关重要。在控制电路中要作好过电压、过电流和电压尖峰三种情况的防护，保护控制电路不受损坏。
第5章 系统性能测试与结果
5.1负载调整率测试
1．定义：在额定电网电压下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量，常用百分数表示，有时也用绝对变化量表示。反映负载电流的变化对输出电压的影响。 2．测试方法：
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(1)交流输入电压220V，输出电流为50%Io时，测出稳定的直流输出电压值Uo。
(2)调整负载电流为100%Io与(10%-15%)Io，测出稳定的直流输出电压值Uo1，Uo2
(3)计算100%Io与(10%-15%)Io条件下电压调整率 α1=(Uo1-Uo)/Uoｘ100% α2=(Uo2-Uo)/Uoｘ100%
5.2电压调整率测试
1．定义：反映交流输入电压变化对输出电压的影响。又称电压调整率。 2．测试方法：
(1)交流输入电压220V，输出电流为满载时，测出稳定的直流输出电压值Uo。
(2)调整交流输入电压为180V，260V，测出稳定的直流输出电压值Uo1，Uo2
(3)计算180V，260V条件下电压调整率 α1=(Uo1-Uo)/Uoｘ100% α2=(Uo2-Uo)/Uoｘ100%
5.3 效率测试
1．内容：测试不同交流输入电压，不同负载条件下电源效率η 2．测试方法：
(1)交流输入电压90V，160V，220V，260V，输出电流为100%Io，30%Io，空载时，测出对应的稳定的直流输出电压值Uo与对应的交流输入功率Pin。
(2)计算效率η=Po/Pinｘ100%=(UoｘIo)/Pinｘ100%
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5.4 输出纹波电压及噪音测试
1、测试条件：交流输入电压220V，输出满载。
2、测试方法：测试时，示波器TIME/DIV档置10uS/div，带宽置20MHz，读取示波器显示的输出电压峰-峰值即为输出纹波电压(包含毛刺在内的峰-峰值为纹波+噪音)。
根据以上设计，采用SG3525输出电压为24V，电流为10A的高频开关稳压电源的性能进行了测试。实测结果表明，该开关电源的纹波电压控制、电压调节精度及电源工作效率都符合设计要求。
第6章 心得体会
在电子设备中电源是其中重要组成部分之一，它负责给主电路提供稳定可靠的电力，没有一部高质量的电源，电子设备就不能更好的工作。在现实生活中单相电的使用非常广泛，大量的电子设备中都有单相AC-DC转换电路。它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种用电要求，其高效节能简单可靠的特点使其得到了广泛的应用。其中高频开关电源在重量、体积和效率等方面具有较强的优势，被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备。
这次课程设计我设计完成了基于SG3525的脉宽调制高频开关稳压电源的设计。这是一个以前学习中没有接触过的芯片，而且电路的设计中还要有各种保护和检测电路，可以说是比较复杂的。对我来说是个难得的机会。
首先通过查找SG3525和电路范例的过程扩展了自己的视野，在网络时代里，我们应该有效的利用好这一资源。它不仅可以给我们提供丰富的资料，还给我们提供了一个高效方便的平台。这次的课程设计的完成，网络提供了很大的助力。
其次, 这次课程设计,我独立运用所学电力电子知识完成了系统设计。为了完成好这个课程设计，我查阅了大量关于开关电源方面的书籍
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及相关论文。通过做这些工作锻炼了我知识总结的能力，增强了我应用电力电子知识解决实际问题的能力，更提高了自己分析问题和解决问题的能力。
第三, 通过这次课程设计，让我进一步理解了设计工作，加强了对产品安全和保护的了解。提高了我的实践与操作能力。虽然设计的过程是艰辛的，但收获更加丰富。
总而言之，此次课程设计我学到了好多平时在课堂上学不到的东西，开拓了视野，增加了我的知识运用能力，更增强我的独立设计能力．
在此，还要向各位指导老师致以真诚的感谢！
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C54R4612R70D8DZ1C58OUTA4C53R64+R47678SSCOMP9DISSD10OUTBRTOUTA11R48R44-GNDR635CTGND12OSCVCC133SYNCOUTB14VrefR43IN+VI15IN-VRET16C55FU2C6C56Q1R3R2L2SG3525R45R49C52Q7D1R5D3R9PLPR50C51T1C4C8C10电力电子课程设计
+12vD18Q2C5 C14D2C7Q3D19Q4D20R4R7D4R11
C9C11T213R25附录： 总电路图
C19R264526R27Q5D21Q6D22R28D23
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电气信息学院课程设计评分表
评 价 项 目 优 设计方案合理性与创造性（10%） 硬件设计及调试情况（20%） 参数计算及设备选型情况(10%) 设计说明书质量(20%) 答辩情况(10%) 完成任务情况(10%) 独立工作能力(10%) 出勤情况(10%) *良 中 及格 差 综 合 评 分
指导教师签名：________________
日 期：________________
注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。
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