1000w全橋穩(wěn)壓電源課程設計

1、<p>　　電力電子課程設計說明書</p><p>　　題 目：全橋型開關穩(wěn)壓電源設計</p><p>　　院 、 部： 電氣與電子工程信息學院 </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動化

2、 </p><p>　　班 級： </p><p>　　完成時間： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　該課程設計是利用PWM技術的全橋型開關穩(wěn)壓電源。給出了全橋整流電路、逆變電路驅動電

3、路、控制電路的具體設計方法。該全橋開關穩(wěn)壓電源輸出電壓恒為48V，并有實驗仿真波形。本全橋型開關穩(wěn)壓電源最大功率達1000W，輸出電流約為20A，設計采用了AC／DC／AC／DC變換方案。一次整流后的直流電壓，經過有源功率因數校正環(huán)節(jié)以提高系統(tǒng)的功率因數，再經全橋變換電路逆變后，由高頻變壓器隔離降壓，最后整流輸出直流電壓，在設計中首先畫出主電路圖，主電路圖由整流電路、逆變電路組成。全橋電路的開關元件使用的是MOSFET。全橋移相電路采用

4、UC3875控制芯片，并作數據處理，MATLAB仿真作出了不同角度的仿真波形圖。并說明其工作原理，再通過基本計算，選擇觸發(fā)電路和保護電路的結構以及晶閘管的型號和變壓器的變比及容量，完成本設計的任務。</p><p>　　關鍵詞 ：開關電源；全橋；PWM控制電路；整流；逆變；高頻變壓器 </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><

5、;p>　　The class is full bridge switch regulated power supply based on PWM technology. The design method of the full bridge rectifier circuit, the inverter circuit, the driving circuit and the control circuit are presen

6、ted.. The output voltage of the full bridge switching voltage regulator is constant to 48V and has the experimental simulation waveforms. The full bridge switch regulated power supply maximum power up to 1000W, output cu

7、rrent is about 20a, designed using AC / DC / AC / DC converter schem</p><p>　　Keywords: switching power supply; full bridge;PWM control circuit; rectifier;inverter; HF transformer</p><p><b&g

8、t;　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒論………………………………………………………………………… </p><p>　　1.1 開關電源概況……………………………………………………………… </p><p>　　1.2 開關設計內容………………………………………………………………</p><p>　　第二

9、章 開關穩(wěn)壓電源設計………………………………………………………… </p><p>　　2.1 開關穩(wěn)壓電源總體設計方案……………………………………………… </p><p>　　2.2 總體方案論證………………………………………………………………</p><p>　　2.2.1 整流電路設計………………………………………………………</p>

10、<p>　　2.2.2 逆變電路設計………………………………………………………</p><p>　　2.2.3 驅動電路設計………………………………………………………</p><p>　　2.2.4 全橋移相開關控制電路……………………………………………</p><p>　　2.3 高頻變壓器變比及容量………………………………………………………&

11、lt;/p><p>　　2.4 系統(tǒng)仿真及波形………………………………………………………………</p><p>　　2.4.1 MATLAB仿真軟件介紹……………………………………………</p><p>　　2.4.2 仿真電路圖…………………………………………………………</p><p>　　2.4.3 仿真分析………………………………

12、……………………………</p><p>　　第三章 課程設計總結……………………………………………………………… </p><p>　　參考文獻……………………………………………………………………………….</p><p>　　致謝……………………………………………………………………………………</p><p>　　附錄………………………

13、……………………………………………………………</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　1.1開關電源概況</b></p><p>　　隨著電力電子技術的高速發(fā)展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現了開關電源化，率先完成計

14、算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發(fā)展。</p><p>　　開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在安防監(jiān)控，節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方

15、面都具有重要的意義。</p><p>　　開關電源產品廣泛應用于工業(yè)自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫(yī)療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED燈具，通訊設備，視聽產品，安防監(jiān)控，LED燈袋，電腦機箱，數碼產品和儀器類等領域。</p><p>　　現代開關電源有兩種：一種是直流開關電源；另一種是交流開關電源。直流開關

16、電源的核心是DC/DC轉換器。直流DC/DC轉換器按輸入與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類：一類是有隔離的稱為隔離式DC/DC轉換器；另一類是沒有隔離的稱為非隔離 式DC/DC轉換器。</p><p>　　開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉點日

17、益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。</p><p>　　根據開關器件在電路中連接的方式，目前比較廣泛使用的開關電源，大體上可分為：串聯式開關電源、并聯式開關電源、變壓器式開關電源等三大類。其中，變壓器式開關電源還可以進一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種；根據變壓器的激勵和輸出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種；如果從用途上來分，還可以分成更多種類。</p&

18、gt;<p><b>　　1.2本文設計內容</b></p><p>　　開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷地創(chuàng)新。目前，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產業(yè)

19、飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。</p><p>　　開關型穩(wěn)壓電源是由全波整流器，開關管，激勵信號，續(xù)流二極管，儲能電感和濾波電容組成。實際上，開關穩(wěn)壓電源的核心部分是一個直流變壓器?！伴_關型穩(wěn)壓電源”與“串聯調整型穩(wěn)壓電源”相比，以其高效節(jié)能；適應市電變化能力強；輸出電壓可調范圍寬；一只開關管可方便地獲得多組電壓等級不同的電源；體積小，重量輕等諸多優(yōu)點，而被廣泛地得到采用。</p><p&

20、gt;　　本實驗由主電路、整流電路、逆變電路、控制電路、驅動電路組成。再設計中運用了電壓驅動全控器件MOSFET來設計主電路，它具有驅動電路簡單、驅動功率小、開關速度快、開關頻率高等優(yōu)點。并配以整流電路和逆變電路。改變開關的占空比，就可以輸出電壓的平均值，我們知道當S1導通時，輸出整流二極管D1導通；反之，S2導通時，二極管D2導通。當SI、S2都關斷且電感電流連續(xù)時，D1、D2同時導通續(xù)流，開關元件斷態(tài)時承受的峰值電壓是Ure全橋電路

21、不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流飽和現象。</p><p>　　開關穩(wěn)壓電源電路設計</p><p>　　2.1開關穩(wěn)壓電源總體設計方案</p><p>　　2.11全橋穩(wěn)壓電路總體結構圖及其說明</p><p>　　圖2.1全橋型開關穩(wěn)壓電源的基本結構</p><p>　　電流經過整流后變?yōu)橹绷?，再經過高頻逆變變?yōu)榻涣?/p>

22、，再經過高頻整流到直流，最后經過濾波得到所需的直流。</p><p>　　2.1.2總體方案論證</p><p>　　由于開關穩(wěn)壓電源的調整工作于開關狀態(tài)，導通時管壓降很小截止電流幾乎為零，因此工作時管耗很小使開關電源的效率很高，通常在8O%左右，而線性電源一般效率低于50%。由于開關電源的開關元件的工作頻率很高，通常在幾十KHz至幾百KHz范圍，因此電路中所使用的都是高頻變壓器其體積重量

23、都很小，而且大多數開關電源都省去工頻變壓器由電網工頻直接整流濾波，所以開關電源比同功率的線性電源其體積重量都小得多。由丁開關電源的輸出電壓是由脈沖波形的占空比調節(jié)的，受輸入電壓幅度的影響較小，所以它的穩(wěn)定范圍很寬，對電網電壓要求較低一般電網電壓從140V--260V開關電源均可工作而線性電源一般允許電網電壓波動正負10%，另電網電壓頻率變化4%時開關電源仍可工作。</p><p>　　2.2開關穩(wěn)壓電源具體電路設

24、計</p><p>　　2.2.1整流電路設計</p><p>　　圖2.2 輸入整流濾波電路圖</p><p>　　整流濾波電路，主要有兩部分組成：整流橋和濾波電路。</p><p>　　2.2.2逆變電路設計</p><p>　　圖2.3逆變電路設計圖 </p><p>　　如圖2-2，

25、采用電壓型逆變電路，它有四個橋，可以看成由兩個半橋電路組合而成，把橋臂1和4作為一對，橋臂2和3作為另一對，組成的兩個橋臂同時導通，兩對交替各導通180度，其特點為：直流側為電壓源或并聯有大電容，交流側輸出波形為方波，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。</p><p>　　2.2.3驅動電路設計</p><p>　　圖2.4驅動電路圖</p><p>　　電流經過整流

26、后變?yōu)橹绷鳎俳涍^高頻逆變變?yōu)榻涣?，再經過高頻整流變?yōu)橹绷?，最后經過濾波得到想要的直流，再傳給負載。 </p><p>　　2.2.4全橋移相開關控制電路</p><p>　　圖2.5全橋移相開關控制電路圖</p><p>　　在DC/DC變換器中，則多采用以全橋移相控制軟開關PWM變換器，它是直流電源實現高頻化的理想拓撲之一，尤其是在中、大功率變換器應用場合。用

27、軟開關技術實現的DC/DC變換器其效率可達90%以上。</p><p>　　UC3875控制芯片：UC3875是用于移相全橋型軟開關電源控制的集成PWM控制器，可對全橋型開關的相位進行相位移動，實現定頻脈寬調制控制。UC3875其外形有20引腳封裝和28引腳封裝，</p><p>　　UC3875內部結構方框圖如下：</p><p>　　圖2.6UC3875內部結

28、構方框圖</p><p>　　UC3875外接控制電路：</p><p>　　圖2.7UC3875外部控制電路圖</p><p>　　UC3875軟開關電源移項PWM控制集成電路，對兩個半橋開關電路的相位進行移動控制，實現半橋功率級的恒頻PWM控制，借助開關器件的輸出電容充放電，在輸出電容放電結束的狀態(tài)下完成零電壓開通。相位控制的特點體現在UC3875的4個輸出端

29、分別驅動A/B、C/D兩個半橋，都能單獨進行導通延時的調節(jié)控制，在該死區(qū)時間內確保下一個導通管的輸出電容放電完畢，為即將導通的開關管提供零電壓開通條件。在全橋拓撲下移項控制的優(yōu)點得到了充分的體現，UC3875在電壓模式下電流模式下均可工作，并具有一個獨立的過電流關斷電路以實現故障的快速保護。</p><p>　　芯片的保護功能包括：欠電壓鎖定，即芯片的偏置電壓達到閘值之前，其4個輸出端均保持低的有源輸出狀態(tài)；內置

30、的1.5V滯后使工作可靠；具有過電流保護，一旦出現事故該保護電路可在70NS之內關斷所有輸出端；故障處理可在全周期范圍內再啟動。</p><p>　　該芯片的其它功能包括：帶寬超過7MHZ的誤差放人器；一個5V的基準電壓；軟啟動；一個斜坡電壓發(fā)生器和斜率補償電路。</p><p>　　圖2.8UC3875控制集成電路圖</p><p>　　PWM移相控制電路如下:

31、</p><p>　　圖2.9PWM移相控制電路圖</p><p>　　2.3高頻變壓器變比及容量</p><p>　　當1000W全橋軟開關電源采用PQ50/50芯片時先給出主功率變壓器原邊繞組的圈數計算公式和計算過程?？紤]到UC3875的最佳工作頻率，又因為采用了高頻開關特性良好的MOSFET功率管，所以選取開關頻率為100KHZ。</p>&l

32、t;p>　　首先根據功率容量Ap乘積公式來進行估算。為了多留些余地，可再減小主功率變壓器的最大工作磁通密度Bm=1000GS，由計算式得到</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　當最大磁通密度選用1500GS時，功率容量降低到3.7。若開關頻率降低到50KHZ，則功率容量乘機增大一倍約11.12，余量就小了。</p>

33、<p>　　PQ50/50鐵氧體磁芯的有效中心柱截而積為Ae=3.1416cm2它的磁芯窗口而積為Aq=4.18 cm2，因此PQ50/50的功率容量乘積為</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　可見，在開關頻率為100KHZ時，采用PQ50/50鐵氧體磁芯做1000W主功率變壓器，它的功率容量是合理的。</p>

34、<p>　　再來計算原邊繞組的匝數值：</p><p><b>　　計算方法之一</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　取原邊繞組匝數28 匝。當最大磁通密度選用1500GS時，則Np=18 匝，根據經驗判斷，這個原邊匝數取值過小了。</p><p>

35、<b>　　計算方法之二</b></p><p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　取原邊繞組匝數28 匝，結果與上式相同。</p><p>　　計算副邊繞組匝數，計算式</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>

36、　　Vop是副邊整流濾波輸出電壓的副值，它由三項數值相加之和：一是考慮脈動值V=5V*15*10%=6.5二是整流器二極管的正向壓降，Vd=1.2V直流壓降。三是濾波電感的直流壓降假設為VL=0.2V。IC控制系統(tǒng)時一般都加上外圍分立元件驅動電路，增大驅動電流功率，減小IC功率的溫升提高電源整機的可靠性</p><p>　　2.4系統(tǒng)仿真及波形</p><p>　　2.4.1MATLAB仿

37、真軟件介紹</p><p>　　MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C++，JAVA的支持?？梢灾苯诱{用，用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫

38、中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。</p><p>　　MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級，MATLAB的用戶界

39、面也越來越精致，更加接近Windows的標準界面，人機交互性更強，操作更簡單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯機查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調試系統(tǒng)，程序不必經過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現的錯誤及進行出錯原因分析。</p><p>　　MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數學運算函數，可以方便的實現用戶所需的各種計

40、算功能。函數中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C++ 。在計算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會大大減少。MATLAB的這些函數集包括從最簡單最基本的函數到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復雜函數。函數所能解決的問題其大致包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數據的統(tǒng)計分析、工程

41、中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運算、復數的各種運算、三角函數和其他初等數學運算、多維數組操作以及建模動態(tài)仿真等。</p><p>　　2.4.2仿真電路圖如下</p><p>　　圖2.10單相橋式全控整流電路仿真(電阻性負載)</p><p><b>　　2.4.3仿真分析</b></p><p>　　（1）下圖是用示波器觀

42、察仿真結果晶閘管VT的電流波形和電壓波形，電源電壓波形，α=0°時負載電阻兩端的電壓波形和電流波形。</p><p>　　圖2.11α=0°波形圖</p><p>　?。?）下圖是用示波器觀察仿真結果晶閘管VT的電流波形和電壓波形，電源電壓波形，α=30°時負載電阻兩端的電壓波形和電流波形。</p><p>　　圖2.12α=30&

43、#176;時波形圖</p><p>　?。?）下圖是用示波器觀察仿真結果晶閘管VT的電流波形和電壓波形，電源電壓波形，α=60°時負載電阻兩端的電壓波形和電流波形。</p><p>　　圖2.13α=60°時波形圖</p><p>　　（4）下圖是用示波器觀察仿真結果晶閘管VT的電流波形和電壓波形，電源電壓波形，α=90°時負載電阻兩

44、端的電壓波形和電流波形。</p><p>　　圖2.14α=90°時波形圖</p><p>　　單相橋式全控整流電路(電阻性負載)是典型的單相橋式全控整流電路，共用4個晶閘管，2只晶閘管接成共陽極，2只晶閘管接成共陰極，每只晶閘管是一個橋臂，橋式整流電路的工作方式特點是整流元件必須成對構成回路，負載為電阻性。</p><p>　　第三章 課程設計總結&

45、lt;/p><p>　　課設結束后從中我收獲了很多，基本達到了此課程設計的目的。首先我對課本的相關的知識點重新的復習了一遍，而且是帶著問題來看的所以效果非常好，把老師以前在課堂講的東西有了一個更深的認識，對以前似懂非懂的東西弄懂了，并且能更深體會哪個部分是實踐中更需要的、哪個部分是理論的，可以作到心中有數。其次在我做課設的過程中也翻閱了許多相關的書籍使我的眼界有了很大的拓寬。還有就是我對電腦軟件的應用也更為熟練。&l

46、t;/p><p>　　通過此次電力電子技術設計，讓我們有機會將課堂上所學的理論知識運用到實際中，我對單相橋式整流電路、逆變電路，變壓器，濾波器、濾波電路，DC/DC直流變換，PWM整流電路、PWM濾波電路移相全橋型零電壓開關PWM電路，軟開關技術都有了更深的了解。并通過對知識的綜合運用，進行必要的分析、比較。從而進一步驗證了所學的理論知識。同時，這次課程設計，還讓我知道了最重要的是心態(tài)、耐心還有細心，在剛開始覺得困難

47、，但是只要自己充滿信心，堅持下來，就肯定能完成的。在此次課程設計過程中，我更進一步地熟悉了單相交流調壓電路的原理和驅動電路的設計。當然，在這個過程中我也遇到了困難，查閱資料，和同學相互通過討論。我準確地找出了我們的錯誤并糾正了錯誤，這更是我的收獲，不但使我們進一步提高了我們的實踐能力，也讓我們在以后的工作學習有了更大的信心。通過這次課程設計使我懂得了只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合，從實踐中得出結論，從而提高了

48、自己的實際動手能力和獨立思考的能力。</p><p>　　讓我收獲最大的是我發(fā)現了自己對以前的知識理解的不夠深刻，掌握得不夠牢固，通過這次，我把以前所學的知識重新溫故，鞏固了所學知識，讓我受益匪淺。最后感謝在此次課設中給予我大力支持和幫助的老師和同學。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王兆安主編.電力電

49、子技術.第四版.北京：機械工業(yè)出版社,2003</p><p>　　Wang Zhaoan, ed. power electronics technology. Fourth ed. Beijing: Mechanical Industry Press, 2003</p><p>　　[2] 郝萬新主編.電力電子技術.化學工業(yè)出版社, 2002</p><p>　　

50、Hao Wanxin, ed. power electronics technology. Chemical Industry Press, 2002</p><p>　　[3] 孟志強主編.電力電子技術.晶閘管中頻感應逆變電源的附加振蕩啟動方法, 2003.6</p><p>　　Meng Zhiqiang, ed. power electronics technology. The a

51、dditional oscillating starting method of the inverter power supply of Thyristor Medium Frequency Induction inverter 2003.6</p><p>　　[4] 馬傳天 晶體管開關穩(wěn)壓電源 北京： 人民郵電出版社1995.1</p><p>　　Ma Chuantian tr

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54、equency tracking control, 2003.4 </p><p>　　[7] 劉勝利 現代高頻開關電源實用技術 電子工業(yè)出版社2001 9</p><p>　　Liu Shengli modern high frequency switching power supply practical technology electronics industry pres

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56、子技術 重慶大學出版社2004 3</p><p>　　Su Yugang power electronics technology Chongqing University press 2004</p><p>　　[10] 林渭勛 現代電力電子技術 北京：機械工業(yè)出版社 2006</p><p>　　Lin Weixun modern power ele

57、ctronics technology Beijing: Machinery Industry Press 2006</p><p>　　[11] 王兆安 電力電子技術是電能質量控制的重要手段 電力電子技術 2004.6</p><p>　　Wang Zhaoan power electronic technology is the power quality control of p

58、ower electronics technology 2004.6</p><p>　　[12] 裴云慶 開關穩(wěn)壓電源的設計和應用 機械工業(yè)出版社 2010.7</p><p>　　Pei Yunqing switching power supply design and application Machinery Industry Press 2010.7</p>&

59、lt;p>　　[13] 王兆安，陳橋梁 集成化是電力電子技術的發(fā)展趨勢 交流技術與電力牽引 2006.1</p><p>　　Wang Zhaoan, Chen Qiaoliang integration is the power electronics technology development trend of AC technology and power traction 2006.1</p

60、><p>　　[14] 陳治明 寬禁帶電力電子器件研發(fā)新進展 機械制造與自動化 2005,34（6）：1-3,6</p><p>　　Chen Zhiming wide band gap power electronics devices research and development of new mechanical manufacturing and automation 2005

61、,34 (6): 1-3,6</p><p>　　[15] 石玉 電力電子技術題例與電路設計指導 北京：機械工業(yè)出版社，1999</p><p>　　Shi Yu electric power electronics technology questions and circuit design guide Beijing: Machinery Industry Press, 1999

62、</p><p>　　[16] 潘天明 工頻和中頻感應爐 冶金工業(yè)出版社1997</p><p>　　Pan Tianming power frequency and intermediate frequency induction furnace Metallurgical Industry Press 1997</p><p><b>　　致 謝&

63、lt;/b></p><p>　　此次電力電子課程設計，我應當該感謝給我提供關鍵性幫助的指導老師，是老師給我們提供詳細的參考資料，給我們講解書中關系性知識、鏈接相關知識，指導我們相關知識的拓展，同時還教導我們實際與理論的具體結合，對于我在設計中存在的問題細心批改，注釋，讓我們在課程設計中不僅學到了關鍵的理論知識，還學到了在實際的工程運用中，我們該如何根據具體設計要求，利用所學的理論知識來滿足設計要求，當所學