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。

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。

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。

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。

② 查询 LM317 数据手册可知，充电电路输出电压为$U_0=1.25\left(1+\frac{W_1}{R_1}\right)$^[4]，本电路中 R₁ 取 100 Ω， W₁ 取 2 kΩ的电位器，可以方便地调节输出电压至锂电池最大充电电压 25.2 V。

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。

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。

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。

5）改进后的供电电源元器件数量减少一半以上，电路更加精简，充电时散热性能更好，可将其装入测磁仪控制台，而不影响测磁仪其它部分电路正常工作，解决了操作繁琐的问题。改进前后电池组、电源模块对比如图10–11 所示。

3 结束语

通过对现有磁通门测磁仪供电电路的分析，针对存在的问题，对电路进行改进，解决了电路复杂、体积大、电池容量小等问题，提高了仪器集成度和整体性能，尤其在水下和空中作业时方便携带，在舰艇磁场的测量中更加快捷、方便。

参考文献