船舶防腐數(shù)字恒流電源設(shè)計

李賽鵬，郁進(jìn)明，楊子琪

（東華大學(xué) 上海 201620）

船舶防腐數(shù)字恒流電源設(shè)計

李賽鵬，郁進(jìn)明，楊子琪

（東華大學(xué) 上海 201620）

船舶腐蝕不僅影響使用性能，也會帶來嚴(yán)重的水體污染。船舶防腐數(shù)字恒流電源設(shè)計的是一種可調(diào)式高精度的電流型開關(guān)電源系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)將220 V市電或HVDC轉(zhuǎn)換成0.1 A至2 A可調(diào)，精度為0.01A的恒定電流輸出，通過利用單片機控制電阻網(wǎng)絡(luò)反饋電路、高精度基準(zhǔn)電壓電路和電壓轉(zhuǎn)換電流電路來控制輸出電流，且具有良好的用戶操作界面，實現(xiàn)了真正的高精度數(shù)字可調(diào)。實驗測試表明，系統(tǒng)具有精度高、控制簡單、響應(yīng)快等特點。

開關(guān)電源；數(shù)字恒流源；AC/DC；CV/CC

目前，大多數(shù)船舶都采用金屬外殼。在海洋環(huán)境下，船舶的腐蝕現(xiàn)象很嚴(yán)重。腐蝕不僅降低了船舶鋼結(jié)構(gòu)的強度，縮短了船舶的壽命，還會影響船舶使用性能，而一旦出現(xiàn)穿孔或開裂，會導(dǎo)致海損事故的發(fā)生造成驚人的損失[1]。不僅如此，船舶腐蝕還會帶來嚴(yán)重的海水污染。因此一系列船舶防腐方法應(yīng)運而生。

傳統(tǒng)的海洋船舶防腐方法為防腐蝕涂漆系統(tǒng)，這種方法施工復(fù)雜、使用壽命短且防腐效果不佳[2]?，F(xiàn)代的船舶防腐一般利用電化學(xué)原理的陰極保護的方法。陰極保護方法包括犧牲陽極的陰極保護方法和外加電流陰極保護方法[3]。外加電流陰極保護方法是在外加陽極和鋼板之間加入一個恒流電源，并通過海水構(gòu)成回路。電源向鋼板輸入保護電流，使鋼板變成陰極受到保護，進(jìn)而將腐蝕降到最低程度，延長船舶的壽命。隨著微電子技術(shù)，信息技術(shù)和計算機技術(shù)的越來越成熟，研發(fā)出可靠性高，減少維護甚至免維護，智能化，適于遠(yuǎn)程控制的新一代防腐電源就迫在眉睫[4]。

本課題就現(xiàn)狀研究了一種適用于船舶的恒流型防腐電源。基于船舶電源標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了一套由220 V市電轉(zhuǎn)換的恒定電流，利用觸摸屏實時控制電流大小，真正意義上實現(xiàn)了高精度數(shù)字化控制的恒流源。

1 設(shè)計原理

從陰極保護原理可知，由外部直流電源向被保護的金屬構(gòu)筑物施加陰極電流，可使其發(fā)生陰極極化，達(dá)到降低甚至完全抑制金屬腐蝕的目的[5]，因此系統(tǒng)在應(yīng)用中需要包括3個部分，恒流電源、輔助陽極和被保護的陰極船體[6]。本系統(tǒng)中使用的輔助陽極為較為活潑的銅棒或者鋅棒。

系統(tǒng)分為AC/DC、CV/CC和監(jiān)控通信3個模塊。AC/DC模塊中輸入電壓可以是220 V交流輸入也可以200～420 V直流輸入，經(jīng)過濾波、整流、變壓后轉(zhuǎn)換成恒定直流電壓，輸出恒定電壓為24 V、28 V或48 V，作為CV/CC的供電模塊。CV/CC模塊由單片機C8051控制著3個子模塊組成：電壓轉(zhuǎn)換電流電路，電阻網(wǎng)絡(luò)反饋電路和高精度基準(zhǔn)電壓電路，完成將輸入的24～48 V的直流電壓轉(zhuǎn)換成0.1～2 A可調(diào)恒定直流電流輸出，精度為0.01 A。監(jiān)控通信模塊由RS232接口電路構(gòu)成，通過RS232串口與外接觸摸屏上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成人機交互操作，實現(xiàn)遙測遙控。圖1為系統(tǒng)模塊框圖。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)采取將模擬AC/DC、CV/CC隔離分開的方案，是CV/CC的恒流輸出盡可能少的受到干擾。在實際電路設(shè)計中，采用了多級濾波、消除電磁干擾，使輸出結(jié)果更可靠。且具有良好的用戶操作界面，實現(xiàn)了真正的高精度數(shù)字可調(diào)。

2 硬件設(shè)計

2.1 AC/DC模塊設(shè)計

AC/DC模塊實現(xiàn)了對市電220 V交流電向24 V直流電的轉(zhuǎn)換。主要分為輸入模塊、PWM控制模塊、直流變換器和輸出模塊。設(shè)計方案采用了電路簡易的單端反激式開關(guān)電路，AC/DC模塊電路簡易圖如圖2所示。

圖2 AC/DC電路簡易圖

通過輸入模塊將220 V正弦波整流、濾波，轉(zhuǎn)換成平滑的直流電，另外輸入電路中還包括過壓、過流、高溫保護。PWM模塊控制著開關(guān)管的關(guān)閉，為MOSFET提供足夠的驅(qū)動電流。MOSFET、高頻變壓器、整流二極管和并聯(lián)電阻電容構(gòu)成了單端反激式開關(guān)電路，在開關(guān)管導(dǎo)通和截止的狀態(tài)中，高頻變壓器不斷地儲能和釋放能量[7]。為了增大輸出端電流，變壓器的副邊采用兩組繞組并聯(lián)共同為后續(xù)電路提供能量傳遞[8]。輸出端采用LCR濾波，使輸出波形平滑、穩(wěn)定，另外輸出端對電流采樣放大并反饋回PWM控制電路，若輸出電流過大則開啟電路保護關(guān)閉MOSFET。電路簡易、方便，有效地控制了電路體積，改變了開關(guān)電源笨重的現(xiàn)狀，且輸出精度高、穩(wěn)定。

開關(guān)電源的特點是頻率高、效率高、功率密度高和可靠性高[9]。然而由于其開關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)，使得電磁干擾（EMI）非常嚴(yán)重。防電磁干擾主要有3項措施，即屏蔽、濾波和接地[10]。往往單純采用屏蔽不能提供完整的電磁干擾防護，唯一的措施就是加濾波器，切斷電磁干擾沿信號線或電源線的傳播路徑，與屏蔽共同構(gòu)成完美的電磁干擾防護[11]。

在實用電路中多采用單相全波整流電路，本系統(tǒng)輸入濾波中采用的就是最常用的單相橋式整流電路[12]。單相橋式整流電路由4只二極管組成，其構(gòu)成的原則就是要在整流后的輸出其電壓和電流方向始終不變[13-14]。

變壓器是AC/DC電路的核心部分。經(jīng)過計算和分析，系統(tǒng)選擇FPQ-20為磁芯的高頻變壓器，繞組取13砸。

為精確控制開關(guān)電路的電壓輸出，本系統(tǒng)采用對脈寬調(diào)制的方式調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的狀態(tài)[15]，而實現(xiàn)PWM控制的是集成芯片F(xiàn)AN6754。FAN6754通過對VDD引腳電容充電直至達(dá)到啟動電壓，通過GATE引腳輸出不同占空比的PWM波形。而在SENSE引腳上連接著MOS管實時檢測MOS管上的功率并實時調(diào)整PWM波形構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，達(dá)到恒壓控制。圖3為集成芯片F(xiàn)AN6754的應(yīng)用電路圖。圖中的輸入端為電源輸入整流濾波后的連接處。

2.2 CV/CC模塊電路設(shè)計

CV/CC以全速USB Flash微控制器C8051F380為控制核心，供電模塊為整個系統(tǒng)提供精準(zhǔn)的5 V和3.3 V，恒流控制模塊由單片機控制輸出0-2 A數(shù)字電流，另外還可通過通信監(jiān)控模塊的RS232串口與外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)。CV/CC模塊系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖3 FAN6754控制PWM應(yīng)用電路圖

圖4 CV/CC系統(tǒng)模塊框圖

線性穩(wěn)壓器78HBxx-0.5組成的電源模塊為其他控制模塊提供高精度5.0 V、3.3 V電壓。恒流控制模塊由可編寫電位器X9119、放大器EL8178、基準(zhǔn)電壓源 ISL21007以及恒流模塊 LTM8026構(gòu)成。X9119將XDCP集成于單片集成CMOS電路中，數(shù)字電位器使用1 023個電阻元件組成陣列實現(xiàn)可編程。每個電阻元件連接著開關(guān)和滑片的終端抽頭點。陣列抽頭的位置是由通過I2C總線接口的用戶控制，用戶可以通過改變WCR（Wiper Counter Register）寄存器的值改變滑片位置并且讀取數(shù)據(jù)寄存器的值?；鶞?zhǔn)電源ISL21007具有低功耗、低噪聲、高精度、低漂移的特點，另外在輸出使用放大倍數(shù)為1的跟隨器以提高輸入阻抗，降低輸出阻抗，有效地使輸出不受后級電路阻抗影響[16]?；鶞?zhǔn)電壓源與電位器的連接方式如下圖所示 （Vi是基準(zhǔn)電源的輸出基準(zhǔn)電壓，Vout是電位器輸出電壓）。

恒流源模塊LTM8026為恒流控制模塊的核心部分。LTM8026是一種獨立的非隔離降壓型DC/DC開關(guān)電源，可提供最大輸出電流為5 A。這個微型模塊穩(wěn)壓器通過外接電阻提供了編程可實現(xiàn)的精準(zhǔn)輸出電壓，電壓范圍為1.2 V到24 V。輸入電壓范圍為6 V至36 V。LTM8026采用固定頻率、平均電流模式控制來精確調(diào)節(jié)電感電流，電流獨立于輸出電壓，控制回路在內(nèi)部電感中調(diào)節(jié)電流大小。這是調(diào)節(jié)型電流源應(yīng)用的理想解決方案。電流控制回路有兩個參考輸入——電壓模擬控制引腳 CTL_I和 CTL_T。CTL_I通常用于設(shè)置LTM8026的最大允許輸出電流，而CTL_T通常與一個NTC熱敏電阻相連，以減少電流的溫漂。CTL_I和CTL_T兩個模擬電壓的降低決定了輸出電流的變化。恒流控制模塊中用戶設(shè)置X9119電阻點，由基準(zhǔn)電壓源提供該電阻點相應(yīng)的精準(zhǔn)電壓作為恒流模塊CTL_I引腳上的參考電壓。對于CTL_I引腳上的電壓計算如下：

3 軟件設(shè)計

在單片機的控制程序當(dāng)中，下位機在電源開啟狀態(tài)下一直處于待機狀態(tài)，實時的檢測RS232串口是否有數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)到達(dá)之時，電流設(shè)置的中斷開啟。讀取數(shù)據(jù)后，利用I2C總線尋找到正確的地址并改變相應(yīng)地址的X9119寄存器值，設(shè)置電阻點，LTM8026則會按照上述的公式輸出相應(yīng)的恒定電流。本系統(tǒng)的下位機程序設(shè)計中需要完成幾個功能：

1）實時檢測上位機是否有數(shù)據(jù)傳輸給下位機；

2）接收上位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；

3）判斷上位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否有效；

4）向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。

以下為單片機控制程序的主循環(huán)中I2C協(xié)議的部分程序：

本系統(tǒng)中人機交互的模塊選擇的是ARMmini2440的觸摸屏，人機交互界面包括電流設(shè)定、目前設(shè)定值及當(dāng)前電流值。ARMmini2440與單片機之間的通信協(xié)議為RS232。在系統(tǒng)中包含2路恒定電流輸出，每路輸出為獨立設(shè)定獨立輸出，互相不受干擾。所以軟件需要實現(xiàn)以下幾個功能：

1）輸入設(shè)定值，按照一定的幀格式處理數(shù)據(jù)；

2）通過串口將數(shù)據(jù)傳送至單片機；

3）設(shè)置獲取當(dāng)前電流設(shè)定值的按鈕，并通過串口獲取單片機返回值；

4）顯示獲取的返回值。

圖5的中介紹了單片機控制程序流程圖 （即下位機程序）以及人機交互模塊控制程序流程圖（即上位機程序）。

圖5 軟件設(shè)計流程圖

4 實驗應(yīng)用及測試結(jié)果

在進(jìn)行測試時，首先打開上位機和下位機電源。若需設(shè)置電流則進(jìn)入設(shè)置界面，選擇通道輸入電流值點擊設(shè)置，當(dāng)返回確認(rèn)口令時設(shè)置成功。若需查詢電流則進(jìn)入查詢界面，選擇通道點擊查詢，則會返回相應(yīng)通道電流值。測試過程中使用大功率電阻作為負(fù)載，電阻精度為5%，測量值為電阻兩端的電壓值。測試結(jié)果如下（擇取5個代表性的電流值測試）：

由上述測試數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果

5 結(jié) 論

該系統(tǒng)采用高速數(shù)據(jù)處理的單片機為硬件核心，設(shè)計相應(yīng)的外圍電路，實現(xiàn)將220 V市電或HVDC轉(zhuǎn)換成0.1 A至2 A可調(diào)，精度為0.01 A的恒定電流輸出。設(shè)計中采用模塊化設(shè)計的思想，為系統(tǒng)的測試和維護提供了便利。分析測試結(jié)果后可以看出本系統(tǒng)具有高精度、高穩(wěn)定性、人機界面良好等特點。

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Design of current switching power supply system preventing ship's corrosion

LI Sai-peng，YU Jin-ming，YANG Zi-qi
（Dong Hua University，Shanghai 201620，China）

Ship corrosion not only affects ship's performance and causes serious water pollution.This design is a precision current switching power supply system which is used to prevent ship's corrosion. The system converts 220V AC or HVDC to constant adjustable current from 0.1A to 2A，and the output precision is 0.01A.It controls the output current by using a single-chip to control a resistor network feedback control circuit，a high-precision reference voltage circuit and a current-voltage conversion circuit，and it has a friendly user interface，which achieve a true high-precision digital adjustable current system.The test result shows that the constant current source system is of high accuracy，easy to control and fast response.

switching power supply；digital constant current；AC/DC；CV/CC

TN86

：A

：1674－6236（2017）06-0165-05

2016-03-28稿件編號：201603364

李賽鵬（1993—），女，湖南湘潭人，碩士研究生。研究方向：開關(guān)電源。