### 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**:
  - 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
| 接口 | 名称 | 功能 | 规格 |
|------|------|------|------|
| 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
- **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
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

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