4. 电源异常检测的信号基础

机载电源系统的异常检测，本质上不是“看电源坏没坏”，而是从若干可测的电气与热学量中，识别出偏离正常工况的早期征兆。航空电子设备供电通常以 28 V DC、115 V AC 400 Hz 或二次变换后的低压直流（如 3.3 V、5 V、12 V）为主，任何一路异常都可能先表现为电压、电流、温度、纹波或开关频率中的某一项或几项变化。理解这五类信号的物理含义、监测位置与判据形式，是后续故障定位与恢复策略设计的基础。

一、电压监测：从稳态偏差到瞬态跌落

电压是最直接的供电质量指标。监测时通常区分三类量：稳态电压、瞬态偏差和电压跌落持续时间。以 28 V DC 总线为例，正常稳态范围可设为 22～29 V；当负载突加时，若电压在 5 ms 内跌至 18 V 以下，则属于瞬态异常。工程上常用分压电阻网络将高压侧降至 ADC 可接受范围（如 0～3.3 V），再经 RC 低通滤波抑制高频噪声。判据可写成：

V_bus_norm = V_adc × (R1 + R2) / R2
若 V_bus_norm < 22 V 且持续 > 10 ms → 欠压告警
若 V_bus_norm > 29 V 且持续 > 5 ms → 过压告警

需要注意的是，电压监测点应尽量靠近负载端，而不是仅测电源输出端，否则线路压降会掩盖真实供电状态。对于 115 V AC 400 Hz 交流供电，还需监测有效值、频率和波形畸变，但本节重点放在直流与二次变换后的低压直流监测。

二、电流监测：负载状态与短路前兆

电流反映的是负载功率需求和回路完整性。常用方法有分流电阻采样和霍尔电流传感器两种。分流电阻适合小电流、低成本场景，霍尔传感器适合高压隔离或大电流场合。以 5 V/10 A 负载为例，若采用 10 mΩ 分流电阻，则满量程压降为 100 mV，经 50 倍放大后送入 ADC。判据通常包括过流、欠流和电流变化率：

I_load = V_shunt / R_shunt
若 I_load > 12 A 且持续 > 2 ms → 过流保护
若 I_load < 0.1 A 而电压正常 → 负载开路或脱落
若 dI/dt > 50 A/ms → 短路前兆，触发快速关断

电流监测的关键在于采样带宽和响应时间。对于开关电源，负载电流本身带有开关纹波，因此需要在软件中做滑动平均或数字滤波，避免误判。

三、温度监测：热失效的慢变量

温度是电源异常中最“慢”但最不可忽视的信号。功率器件（MOSFET、二极管、变压器）的结温过高会直接导致效率下降、参数漂移甚至热击穿。常用监测手段包括 NTC 热敏电阻、热电偶和集成温度传感器（如 LM75、TMP102）。以 NTC 为例，其阻值与温度呈非线性关系，通常用 Steinhart-Hart 方程或查表法换算：

1/T = A + B·ln(R) + C·(ln(R))^3
T为开尔文温度，R为NTC阻值，A/B/C为器件系数

工程上更常用分段线性查表，在 -40℃～125℃ 范围内每 5℃ 设一个校准点。温度判据一般分两级：一级告警（如 85℃）用于降额运行，二级保护（如 105℃）用于关断。温度监测的难点在于热阻和热时间常数，传感器位置必须尽量贴近发热源，否则测到的是“环境温度”而非“结温”。

四、纹波监测：电容老化与开关异常的窗口

纹波是叠加在直流输出上的交流分量，主要来源于开关动作和输出电容的充放电。纹波幅值增大往往意味着输出滤波电容 ESR 上升或容量下降，是电源老化的典型征兆。监测纹波时，不能只看总有效值，而应关注峰峰值和频谱成分。以 5 V 输出为例，正常纹波峰峰值可控制在 50 mV 以内；若升至 150 mV 以上，则需检查输出电容。纹波监测通常用高速 ADC 或比较器加峰值检波电路实现，采样率应至少为开关频率的 10 倍。

五、开关频率监测：控制环路与器件状态的指纹

开关频率是开关电源控制环路的核心参数。对于 PWM 控制的 Buck 电路，正常开关频率由振荡器决定，如 200 kHz、500 kHz。当频率发生偏移、抖动或丢失时，可能意味着振荡器故障、驱动电路异常或反馈环路失稳。监测方法通常是对开关节点波形进行边沿计数或过零检测，再换算为频率。判据可设为：

f_sw_norm = 200 kHz ± 5%
若 f_sw 偏离 > 10% 或连续 3 个周期丢失 → 开关异常告警

开关频率监测的独特价值在于：它能在输出电压尚未明显变化时，提前暴露控制环路的早期退化。

六、五类信号的协同判读

单独看某一类信号，往往只能得到“异常存在”的结论，而难以定位原因。实际工程中更有效的方式是交叉判读。例如：电压跌落同时伴随电流突增，通常指向短路或负载故障；电压正常但纹波显著增大，同时温度缓慢上升，则更可能是输出电容 ESR 上升；开关频率抖动而输出电压尚在范围内，说明控制环路已进入临界状态，应尽早干预。下表给出几种典型组合及其可能原因，可作为排障时的快速参考。

综上，电压、电流、温度、纹波和开关频率分别从供电质量、负载状态、热应力、滤波退化和控制环路五个维度刻画电源健康状态。它们各自有明确的传感方式、调理电路和判据形式，又能在组合判读中互相印证。掌握这五类信号的监测原理，是后续设计异常检测算法和恢复策略的直接前提。