船舶防腐数字恒流电源设计

李赛鹏，郁进明，杨子琪

（东华大学 上海 201620）

船舶防腐数字恒流电源设计

李赛鹏，郁进明，杨子琪

（东华大学 上海 201620）

船舶腐蚀不仅影响使用性能，也会带来严重的水体污染。船舶防腐数字恒流电源设计的是一种可调式高精度的电流型开关电源系统。系统实现将220 V市电或HVDC转换成0.1 A至2 A可调，精度为0.01A的恒定电流输出，通过利用单片机控制电阻网络反馈电路、高精度基准电压电路和电压转换电流电路来控制输出电流，且具有良好的用户操作界面，实现了真正的高精度数字可调。实验测试表明，系统具有精度高、控制简单、响应快等特点。

开关电源；数字恒流源；AC/DC；CV/CC

目前，大多数船舶都采用金属外壳。在海洋环境下，船舶的腐蚀现象很严重。腐蚀不仅降低了船舶钢结构的强度，缩短了船舶的寿命，还会影响船舶使用性能，而一旦出现穿孔或开裂，会导致海损事故的发生造成惊人的损失[1]。不仅如此，船舶腐蚀还会带来严重的海水污染。因此一系列船舶防腐方法应运而生。

传统的海洋船舶防腐方法为防腐蚀涂漆系统，这种方法施工复杂、使用寿命短且防腐效果不佳[2]。现代的船舶防腐一般利用电化学原理的阴极保护的方法。阴极保护方法包括牺牲阳极的阴极保护方法和外加电流阴极保护方法[3]。外加电流阴极保护方法是在外加阳极和钢板之间加入一个恒流电源，并通过海水构成回路。电源向钢板输入保护电流，使钢板变成阴极受到保护，进而将腐蚀降到最低程度，延长船舶的寿命。随着微电子技术，信息技术和计算机技术的越来越成熟，研发出可靠性高，减少维护甚至免维护，智能化，适于远程控制的新一代防腐电源就迫在眉睫[4]。

本课题就现状研究了一种适用于船舶的恒流型防腐电源。基于船舶电源标准，设计了一套由220 V市电转换的恒定电流，利用触摸屏实时控制电流大小，真正意义上实现了高精度数字化控制的恒流源。

1 设计原理

从阴极保护原理可知，由外部直流电源向被保护的金属构筑物施加阴极电流，可使其发生阴极极化，达到降低甚至完全抑制金属腐蚀的目的[5]，因此系统在应用中需要包括3个部分，恒流电源、辅助阳极和被保护的阴极船体[6]。本系统中使用的辅助阳极为较为活泼的铜棒或者锌棒。

系统分为AC/DC、CV/CC和监控通信3个模块。AC/DC模块中输入电压可以是220 V交流输入也可以200～420 V直流输入，经过滤波、整流、变压后转换成恒定直流电压，输出恒定电压为24 V、28 V或48 V，作为CV/CC的供电模块。CV/CC模块由单片机C8051控制着3个子模块组成：电压转换电流电路，电阻网络反馈电路和高精度基准电压电路，完成将输入的24～48 V的直流电压转换成0.1～2 A可调恒定直流电流输出，精度为0.01 A。监控通信模块由RS232接口电路构成，通过RS232串口与外接触摸屏上位机进行数据通信，完成人机交互操作，实现遥测遥控。图1为系统模块框图。

图1 系统原理框图

系统采取将模拟AC/DC、CV/CC隔离分开的方案，是CV/CC的恒流输出尽可能少的受到干扰。在实际电路设计中，采用了多级滤波、消除电磁干扰，使输出结果更可靠。且具有良好的用户操作界面，实现了真正的高精度数字可调。

2 硬件设计

2.1 AC/DC模块设计

AC/DC模块实现了对市电220 V交流电向24 V直流电的转换。主要分为输入模块、PWM控制模块、直流变换器和输出模块。设计方案采用了电路简易的单端反激式开关电路，AC/DC模块电路简易图如图2所示。

图2 AC/DC电路简易图

通过输入模块将220 V正弦波整流、滤波，转换成平滑的直流电，另外输入电路中还包括过压、过流、高温保护。PWM模块控制着开关管的关闭，为MOSFET提供足够的驱动电流。MOSFET、高频变压器、整流二极管和并联电阻电容构成了单端反激式开关电路，在开关管导通和截止的状态中，高频变压器不断地储能和释放能量[7]。为了增大输出端电流，变压器的副边采用两组绕组并联共同为后续电路提供能量传递[8]。输出端采用LCR滤波，使输出波形平滑、稳定，另外输出端对电流采样放大并反馈回PWM控制电路，若输出电流过大则开启电路保护关闭MOSFET。电路简易、方便，有效地控制了电路体积，改变了开关电源笨重的现状，且输出精度高、稳定。

开关电源的特点是频率高、效率高、功率密度高和可靠性高[9]。然而由于其开关器件工作在高频通断状态，使得电磁干扰（EMI）非常严重。防电磁干扰主要有3项措施，即屏蔽、滤波和接地[10]。往往单纯采用屏蔽不能提供完整的电磁干扰防护，唯一的措施就是加滤波器，切断电磁干扰沿信号线或电源线的传播路径，与屏蔽共同构成完美的电磁干扰防护[11]。

在实用电路中多采用单相全波整流电路，本系统输入滤波中采用的就是最常用的单相桥式整流电路[12]。单相桥式整流电路由4只二极管组成，其构成的原则就是要在整流后的输出其电压和电流方向始终不变[13-14]。

变压器是AC/DC电路的核心部分。经过计算和分析，系统选择FPQ-20为磁芯的高频变压器，绕组取13砸。

为精确控制开关电路的电压输出，本系统采用对脉宽调制的方式调节功率开关管的状态[15]，而实现PWM控制的是集成芯片FAN6754。FAN6754通过对VDD引脚电容充电直至达到启动电压，通过GATE引脚输出不同占空比的PWM波形。而在SENSE引脚上连接着MOS管实时检测MOS管上的功率并实时调整PWM波形构成闭环反馈系统，达到恒压控制。图3为集成芯片FAN6754的应用电路图。图中的输入端为电源输入整流滤波后的连接处。

2.2 CV/CC模块电路设计

CV/CC以全速USB Flash微控制器C8051F380为控制核心，供电模块为整个系统提供精准的5 V和3.3 V，恒流控制模块由单片机控制输出0-2 A数字电流，另外还可通过通信监控模块的RS232串口与外设传输数据。CV/CC模块系统框图如图4所示。

图3 FAN6754控制PWM应用电路图

图4 CV/CC系统模块框图

线性稳压器78HBxx-0.5组成的电源模块为其他控制模块提供高精度5.0 V、3.3 V电压。恒流控制模块由可编写电位器X9119、放大器EL8178、基准电压源 ISL21007以及恒流模块 LTM8026构成。X9119将XDCP集成于单片集成CMOS电路中，数字电位器使用1 023个电阻元件组成阵列实现可编程。每个电阻元件连接着开关和滑片的终端抽头点。阵列抽头的位置是由通过I2C总线接口的用户控制，用户可以通过改变WCR（Wiper Counter Register）寄存器的值改变滑片位置并且读取数据寄存器的值。基准电源ISL21007具有低功耗、低噪声、高精度、低漂移的特点，另外在输出使用放大倍数为1的跟随器以提高输入阻抗，降低输出阻抗，有效地使输出不受后级电路阻抗影响[16]。基准电压源与电位器的连接方式如下图所示 （Vi是基准电源的输出基准电压，Vout是电位器输出电压）。

恒流源模块LTM8026为恒流控制模块的核心部分。LTM8026是一种独立的非隔离降压型DC/DC开关电源，可提供最大输出电流为5 A。这个微型模块稳压器通过外接电阻提供了编程可实现的精准输出电压，电压范围为1.2 V到24 V。输入电压范围为6 V至36 V。LTM8026采用固定频率、平均电流模式控制来精确调节电感电流，电流独立于输出电压，控制回路在内部电感中调节电流大小。这是调节型电流源应用的理想解决方案。电流控制回路有两个参考输入——电压模拟控制引脚 CTL_I和 CTL_T。CTL_I通常用于设置LTM8026的最大允许输出电流，而CTL_T通常与一个NTC热敏电阻相连，以减少电流的温漂。CTL_I和CTL_T两个模拟电压的降低决定了输出电流的变化。恒流控制模块中用户设置X9119电阻点，由基准电压源提供该电阻点相应的精准电压作为恒流模块CTL_I引脚上的参考电压。对于CTL_I引脚上的电压计算如下：

3 软件设计

在单片机的控制程序当中，下位机在电源开启状态下一直处于待机状态，实时的检测RS232串口是否有数据传输。数据到达之时，电流设置的中断开启。读取数据后，利用I2C总线寻找到正确的地址并改变相应地址的X9119寄存器值，设置电阻点，LTM8026则会按照上述的公式输出相应的恒定电流。本系统的下位机程序设计中需要完成几个功能：

1）实时检测上位机是否有数据传输给下位机；

2）接收上位机传输的数据；

3）判断上位机传输的数据是否有效；

4）向上位机发送数据。

以下为单片机控制程序的主循环中I2C协议的部分程序：

本系统中人机交互的模块选择的是ARMmini2440的触摸屏，人机交互界面包括电流设定、目前设定值及当前电流值。ARMmini2440与单片机之间的通信协议为RS232。在系统中包含2路恒定电流输出，每路输出为独立设定独立输出，互相不受干扰。所以软件需要实现以下几个功能：

1）输入设定值，按照一定的帧格式处理数据；

2）通过串口将数据传送至单片机；

3）设置获取当前电流设定值的按钮，并通过串口获取单片机返回值；

4）显示获取的返回值。

图5的中介绍了单片机控制程序流程图 （即下位机程序）以及人机交互模块控制程序流程图（即上位机程序）。

图5 软件设计流程图

4 实验应用及测试结果

在进行测试时，首先打开上位机和下位机电源。若需设置电流则进入设置界面，选择通道输入电流值点击设置，当返回确认口令时设置成功。若需查询电流则进入查询界面，选择通道点击查询，则会返回相应通道电流值。测试过程中使用大功率电阻作为负载，电阻精度为5%，测量值为电阻两端的电压值。测试结果如下（择取5个代表性的电流值测试）：

由上述测试数据表明该系统结果准确、稳定、可靠。

表1 系统测试结果

5 结 论

该系统采用高速数据处理的单片机为硬件核心，设计相应的外围电路，实现将220 V市电或HVDC转换成0.1 A至2 A可调，精度为0.01 A的恒定电流输出。设计中采用模块化设计的思想，为系统的测试和维护提供了便利。分析测试结果后可以看出本系统具有高精度、高稳定性、人机界面良好等特点。

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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稿件编号：201603364

李赛鹏（1993—），女，湖南湘潭人，硕士研究生。研究方向：开关电源。