舰船磁场测量磁通门测磁仪电源电路设计改进

2023-01-10李丰渫李富安毋金科黄华俊

数字海洋与水下攻防 2022年6期

李丰渫，李富安，沈皓，黄卫，毋金科，黄华俊，刘乐

（中国人民解放军92557部队，广东广州 510000）

0 引言

舰船磁场的测量技术在二战后引起了世界各国的广泛关注，这使得舰船磁场方面的研究成果不断地涌现。基于磁通门原理的测磁仪大量使用在各型舰船的磁场测量工作中，其具备测量准确、可靠性高等优点，该型测磁仪由控制设备、测磁传感器、便携式供电电源、联接电缆4部分组成[1]，主要用来测量舰船磁场的垂向分量和地磁场大小[2]。随着电子技术的发展和测量环境的变化，测磁仪电源电路结构需要进行优化设计，部分元器件需要更新换代，通过进一步的设计和优化能高效做到快速及时地维修和更换、减小电源体积和重量，以便提高舰船磁场测量的效率。

现有传统的测磁仪电源电路复杂，使得存在体积大、电池容量小等缺点。本文首先在分析电源电路充放电以及电池组部分的缺点基础上，将充电部分中 SUCCESS型小型全密闭蓄电池改为聚合物锂电池，变压器及整流桥改为开关电源模块，放电部分由原来仅有的1级稳压改进为采用2级稳压。

1 测磁仪电源电路分析

1.1 电源电路的原理

为磁通门测磁仪提供电源输出的是便携式电源，是一个独立的电源箱。内置 4 A·h可充电式电池，电压为±12 V，满电情况下正常工作时间不小于8 h，充电电压AC220 V，频率50 Hz，功率26 W，重量 7 kg，体积 520 mm×320 mm×200 mm[3]。其电路图和实物如图1–2所示。

图1 测磁仪便携式电源电路图Fig.1 Schematic diagram of magnetometer’s portable power circuit

图2 测磁仪便携式电源实物图Fig.2 Real picture of magnetometer’s portable power supply

电源电路分为充电部分、电池组及放电部分。电路原理分析如下。

1）充电部分由市电220 V供电，经由变压器降压、全波整流桥和限流电路后给电池组进行充电。控制及显示电路主要是防止电源过充、短路保护并显示实时电压，如图3所示。

图3 充电电路实物Fig.3 Real picture of charging circuit

2）供电部分由电池组经可调式三端集成稳压器LM317构成的稳压电路，输出为±9 V，给仪器各部分供电。当仪器接通时，发光二极管 D33发绿色光，当电池组有足够的电压时，比较器U33输出低电平，仪器正常工作；当电池组电压较低时，U33输出高电平，发光二极管D34发出红色光提示。

1.2 电源电路的缺点分析

1）电源电路占用体积过大，使用时散热效果不好，导致元器件长时间处于高温的环境下，影响元器件的精确度、稳定性，输出功率减小，甚至造成电子零件损坏。

2）电池组采用 SUCCESS型小型全密闭蓄电池，体积较大，容量仅为4 A·h。使用寿命较短、电量衰减率高，不能重复使用和提供持久稳定的电力供应。

3）在实际使用中，电压比较器有些情况下不能准确地指示电源电压。这是因为放电部分只经过一级稳压，且由于LM317正常工作时输入输出端至少有3 V的电压差，所以当电源电压过低时，输出电压不能稳定在9 V。这时，仪器虽然在工作，但误差较大，影响测量结果。

2 测磁仪电源电路改进设计及测试

2.1 改进后电源电路的原理

根据设计思路，经过多次修改，设计出改进后的电源原理框图和具体电路，如图4–5所示。

图4 改进后电源原理框图Fig.4 Principle block diagram of improved power supply

图5 改进后电源电路图Fig.5 Schematic diagram of improved power circuit

1）充电部分由市电220 V供电，经由开关电源模块和LM317充电限流电路给电池组进行充电。

① J1为市电接口，通过电源线将交流 220 V市电接入电路，经保险丝F1给开关电源模块U1供电，开关电源输出纹波较小的直流电，进入三端集成稳压器LM317构成的限流充电电路。

③ 由于 LM317工作时输入输出两端至少有3 V的电压差，故开关电源模块输出电压至少调节到28.2 V。

④ S1是一个双向开关，当开关S1向触点3点接通时，电路进行充电[5]。R3为 1 Ω限流电阻，Q1导通电压为0.6 V。故当充电电流大于0.6 A时Q1导通，将充电电流控制在0.6 A以下。

2）供电部分由聚合物电池组分别经DKA15B–12型15WDC–DC稳压模块、LM317与LM337构成的±9 V稳压电路仪器给各部分供电。

当开关 S1与触点 2接触时，锂电池放电。U3是一款DC–DC模块，该模块在输入为18～36 V的情况下输出稳定在±12 V。U3输出的±12 V再经稳压电路给仪器供给±9 V的电压，仪器正常工作。

2.2 改进后电源电路测试

在对电路的原理、功能进行了充分论证后，对实际的电源电路进行性能指标测试，实验设备连接框图和设备连接图如图6–7所示。

图6 电源模块测试实验连接框图Fig.6 Connection block diagram of power module test

图7 测试实验设备连接图Fig.7 Connection diagram of test experiment device

具体方法：1）将原测磁仪模拟板拆下后连接到配套的测磁仪专用调试台上；2）将磁探头连接至专用调试台上，使模拟板能够输出一个和磁场大小有关的信号；3）切断调试台与模拟板之间的电压供应；4）将改进后的电源模块接入模拟板电源供应口；5）打开调试台开关和改进后电源模块供电开关，测量电源两端输出电压以及模拟板输出电压。

经过实验我们发现改进后的电源电路能稳定地给测磁仪供电。在充电电流为0.6 A左右的情况下，锂电池充电时间大约为10 h，且输出电压稳定，不影响仪器精度。

2.3 改进后电源电路的优点分析

1）将变压器及整流桥改为开关电源模块，如图8所示，其尺寸为127 mm×76 mm×28 mm，重量仅为200 g。选用单体电压为3.7 ～ 4.2 V的6 A·h锂电池，6节串联，电池组电压达到22.2 ～ 25.2 V，体积约为原蓄电池的1/2。不仅减小了体积，解决了携带不便的问题，而且在对电池组进行充电时充电电压更稳定。

图8 开关电源实物Fig.8 Real picture of switching power supply

2）采用LM317构成涓流充电限流电路，具有形式简单、输出电压可调、调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点[6]，且能提供超过1.5 A的电流。采用其构成的涓流充电限流电路，发热少，不会过充，对电池寿命影响小。

3）SUCCESS型小型全密闭蓄电池改为聚合物锂电池，自放电率小、寿命长、能量密度大、安全性能高，长时间不使用的情况下能量损失很小[7]。

4）电池放电电路采用两级稳压。第1级采用DKA15B–12型 15WDC–DC 稳压模块[8]，其体积为50.8 mm×25.4 mm×11.27 mm，该模块在输入18～36 V的条件下输出固定为±12 V，如图9所示。第2级采用LM317与LM337构成的±9 V电路，采用这种模式后，当电池组电压高于18 V时由于1级稳压的存在，电源始终能以±12 V的稳定电压输出，不影响2级稳压的输出。当电池组电压低于18 V时便自动断电，不存在欠压工作情况，进而提高了测磁仪的稳定性。单次充电后，仪器可以使用时间更长。