15. 电源监控与保护模块

模块描述

电源监控与保护模块集成电压电流采样、过压过流检测、欠压保护、短路保护、温度监测、软启动等功能，为电源系统提供全方位保护和监控。采用高精度ADC、比较器、MCU等实现智能监控，配合继电器或MOS实现保护动作。支持LCD/OLED显示、上位机通信、数据记录等功能。在电赛中用于电源类题目的保护电路、系统监控、故障诊断等，是复杂电源系统不可或缺的模块。

工作原理

[电源输出] → [采样电路] → [ADC转换] → [MCU处理] → [保护动作]
     ↓            ↓            ↓            ↓
  [电压采样]  [电流采样]  [温度采样]  [判断逻辑]
  分压电阻    分流电阻      NTC热敏       ↓
     ↓            ↓            ↓        [过压]→断开
  [ADC CH0]  [ADC CH1]  [ADC CH2]   [过流]→限流
                                      [欠压]→报警
                                      [过温]→停机
                                         ↓
                              [执行机构：继电器/MOS]
                                         ↓
                              [显示/通信/记录]

保护逻辑：
过压保护：Vout > Vset×1.1 → 断开或关断PWM
过流保护：Iout > Iset×1.2 → 限流或关断
欠压保护：Vout < Vset×0.9 → 报警
短路保护：Iout > Iset×3 → 立即关断
过温保护：Temp > 80°C → 降额或停机

技术指标

- 采样精度: 12-16位ADC - 电压采样: 0-50V，精度±0.1% - 电流采样: 0-20A，精度±0.5% - 温度采样: -20至+100°C，精度±1°C - 响应时间:

  1. 软件保护：<10ms
  2. 硬件保护：<1μs (比较器)

- 保护类型: 过压、欠压、过流、短路、过温、过功率 - 控制方式: 继电器断开/MOS关断/PWM调节 - 显示: OLED/LCD实时显示参数 - 通信: UART/USB上传数据 - 记录: Flash存储故障记录

接口管脚定义

接口 名称 功能 规格
————————
VSENSE | 电压采样 | 电压分压输入 | ADC通道 | | ISENSE 电流采样 分流器电压 差分ADC
TSENSE | 温度采样 | NTC分压 | ADC通道 | | RELAYCTL 继电器控制 保护断开 GPIO输出
PWM_EN PWM使能 电源使能 GPIO输出
ALARM 报警输出 蜂鸣器/LED GPIO输出
UART/USB 通信 数据传输 串口

板上设置和信号指示

- 电压采样: 精密电阻分压网络（1%精度） - 电流采样: 0.01Ω分流器+INA180差分放大 - 温度传感: NTC 10kΩ热敏电阻贴近功率器件 - 保护继电器: 30A继电器，常开触点 - 保护MOS: P-MOS高端开关，低导通电阻 - 比较器: LM393硬件快速保护 - 显示屏: 0.96寸OLED显示V/I/P/T - 按键: 4按键设置阈值参数 - 蜂鸣器: 故障声光报警

电气指标

- 电压测量:

  1. 范围：0-50V
  2. 精度：±0.1% FS
  3. 分辨率：12位 → 12mV

- 电流测量:

  1. 范围：0-20A
  2. 精度：±0.5% FS
  3. 分辨率：5mA

- 温度测量:

  1. 范围：-20至+100°C
  2. 精度：±1°C

- 保护精度:

  1. 过压：±1%
  2. 过流：±2%
  3. 过温：±2°C

- 继电器:

  1. 额定：30A/250V AC
  2. 寿命：10万次

- MOS保护:

  1. 导通电阻：<10mΩ
  2. 开关时间：<100ns

使用说明

1. 参数设置: 通过按键或上位机设置过压、过流阈值 2. 校准: 使用标准表校准电压电流采样精度 3. 过压测试: 逐步提升电压，验证过压保护点 4. 过流测试: 短路或重载，验证过流保护 5. 短路测试: 输出短路，测试响应时间 6. 温度测试: 加热功率器件，测试过温保护 7. 数据记录: Flash存储故障时间、类型、参数 8. 通信: 串口上传实时数据到PC，曲线显示

全国大学生电子设计竞赛相关赛题

- 2011年A题: 开关稳压电源（全面保护和监控） - 2013年A题: 单相AC-DC变换电路（过流过压保护） - 2017年A题: 微电网模拟系统（系统监控） - 2019年C题: 线路负载及故障检测装置（核心功能） - 2021年C题: 三相AC-DC变换电路（保护监控） - 历年: 所有电源类题目都需要保护功能

应用技术要点总结

1. 双重保护: 软件监控+硬件比较器双重保护 2. 快速响应: 短路保护用比较器<1μs，MCU做二次确认 3. 精密采样: 使用高精度基准+低失调运放+精密电阻 4. 隔离采样: 高压侧电压用隔离放大器采样 5. 软启动: 上电斜坡启动，减小冲击电流 6. 恢复机制: 故障自动恢复或手动复位 7. 数据记录: 关键参数存储，事故分析 8. 人机交互: 友好的界面，参数设置和实时监控