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电源保护模块 [2025/11/07 23:02]
gongyu 创建 		电源保护模块 [2026/01/17 17:28] (当前版本)
gongyu
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-### 15. 电源监控与保护模块+# USB 电源入口保护模块
  
-#### 模块描述 +## 1. 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 +保护 ​USB 供电入口，防止 **ESD、反接、过流、短路**，是“比赛现场保命模块”。
-``` +
-[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 +## 2. 工作原理
-- **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**:​ +
-  - 软件保护：<​10ms +
-  - 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 +* TVS 吸收浪涌 
-| 接口 | 名称 | 功能 | 规格 | +* PPTC / 限流器限制过流 
-|------|------|------|------| +* MOSFET 防反接
-| V_SENSE | 电压采样 | 电压分压输入 | ADC通道 | +
-| I_SENSE | 电流采样 | 分流器电压 | 差分ADC | +
-| T_SENSE | 温度采样 | NTC分压 | ADC通道 | +
-| RELAY_CTL | 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 +## 3. 技术指标
-- **电压测量**:​ +
-  - 范围：0-50V +
-  - 精度：±0.1% FS +
-  - 分辨率：12位 → 12mV +
-- **电流测量**:​ +
-  - 范围：0-20A +
-  - 精度：±0.5% FS +
-  - 分辨率：5mA +
-- **温度测量**:​ +
-  - 范围：-20至+100°C +
-  - 精度：±1°C +
-- **保护精度**:​ +
-  - 过压：±1% +
-  - 过流：±2% +
-  - 过温：±2°C +
-- **继电器**:​ +
-  - 额定：30A/​250V AC +
-  - 寿命：10万次 +
-- **MOS保护**:​ +
-  - 导通电阻：<​10mΩ +
-  - 开关时间：<​100ns+
  
-#### 使用说明 +| 项目 ​    | 指标 ​       | 
-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 +| 输入电压 ​  | 5 V       | 
-3. **过压测试**:​ 逐步提升电压，验证过压保护点 +| 最大电流 ​  | 0.5 – 3 A | 
-4. **过流测试**:​ 短路或重载，验证过流保护 +| ESD 等级 | ±8 kV（接触） | 
-5. **短路测试**:​ 输出短路，测试响应时间 +| 压降 ​    | < 100 mV  |
-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 +## 4. 接口管脚定义 
-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 +USB5V_IN / GND / 5V_OUT
-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+
  
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 +## 5. 板上设置和信号指示
 +
 +* 保险丝选择位（PPTC / 0Ω）
 +* 供电指示 LED
 +
 +---
 +
 +## 6. 电气与布局注意事项
 +
 +* TVS 靠近 USB 口
 +* 电源与数据地分区
 +
 +---
 +
 +## 7. 使用说明（电赛实战）
 +
 +* 没它，USB 供电翻车概率很高
 +* 调试口反复插拔时尤其重要
 +
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 +
 +## 8. 典型应用场景
 +
 +* USB 供电系统
 +* USB 调试接口
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 +---
 +
 +## 9. 电赛关联赛题
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 +* 几乎所有带 USB 的题
 +
 +---
 +
 +## 10. 典型元器件
 +
 +* USB TVS 二极管阵列
 +* PPTC
 +* AO3400 / Si2302 MOS