隨鉆電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仇傲，李源，劉西恩，肖兵

（中海油服油田技術(shù)研究院，河北 燕郊 065201）

0 引言

從20世紀(jì)90年代開始，隨著大斜度井、水平井和側(cè)向鉆井等勘探和鉆井技術(shù)的發(fā)展，常規(guī)的電纜測(cè)井方法受到很大限制，隨鉆測(cè)井技術(shù)得到加速發(fā)展和完善。隨鉆測(cè)井是在鉆井過(guò)程中用安裝在鉆鋌中的測(cè)井儀器測(cè)量地層性質(zhì)并將測(cè)量結(jié)果傳送到地面或記錄在井下存儲(chǔ)器中的一種技術(shù)[1]。相比電纜測(cè)井儀器，隨鉆測(cè)井儀器安裝鉆鋌內(nèi)較小空間，只能采用井下供電方式。同時(shí)儀器還需要在地面進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，因此其電源系統(tǒng)要求兼容多種供電方式。

1 隨鉆電源系統(tǒng)需求

隨鉆儀器的供電一般由中控儀器統(tǒng)一供電。電源來(lái)源為泥漿發(fā)電機(jī)或多節(jié)鋰電池串聯(lián)而成的電池短節(jié)。由于鉆鋌空間有限，電池短節(jié)不能做得太長(zhǎng)。通用的為36節(jié)3.57 V電池串并組合形成32 V，80AH的電池組。由于能量有限，所以一些耗能高的儀器，比如隨鉆電阻率儀器和隨鉆聲波儀器都采用自帶備份電池組的設(shè)計(jì)[2-4]。備份電池組一方面提供儀器耗能較高的高壓放電，另一方面在中控供電不足時(shí)保證儀器完成測(cè)量工作。備份電池組根據(jù)儀器不同，一般為供電電壓21～32 V。儀器的另一種供電方式是在地面進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)讀取盒從儀器的port口給儀器供電。

綜上所述，儀器的供電種類和優(yōu)先次序如表1所示。

表1 儀器供電種類及次序

2 隨鉆電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)電源需求分析，系統(tǒng)從3路來(lái)源中自動(dòng)切換出一路進(jìn)行二次電源變換，產(chǎn)生采集傳輸電路所需的數(shù)字+5 V和模擬±12 V。若是儀器具有高壓要求，則從通過(guò)備份電池組經(jīng)高壓轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生儀器所需高壓。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 隨鉆電源系統(tǒng)框圖

2.1 多路供電切換開關(guān)設(shè)計(jì)

切換開發(fā)部分按照表1設(shè)計(jì)的優(yōu)先次序選擇不同的電源來(lái)源。當(dāng)正在使用的高優(yōu)先電源壓降低于設(shè)定門檻值時(shí)自動(dòng)切換下一個(gè)優(yōu)先級(jí)電源。

傳統(tǒng)繼電器和集成模擬開關(guān)芯片的導(dǎo)通電阻都在0.5 Ω到幾歐姆的范圍內(nèi)，在大電流輸出的情況下會(huì)產(chǎn)生很大的電壓降，影響供電電壓的準(zhǔn)確性以及后續(xù)DC-DC轉(zhuǎn)換效率。

本系統(tǒng)中按照?qǐng)D2所示設(shè)計(jì)了切換開關(guān)。其中開關(guān)部件選用增強(qiáng)型MOSFET管。當(dāng)Q1和Q2截止時(shí)關(guān)斷電源輸出，在導(dǎo)通時(shí)形成一個(gè)電壓源。MOSFET管導(dǎo)通電阻只有幾毫歐滿足系統(tǒng)需求。比較器U1產(chǎn)生控制Q1和Q2的導(dǎo)通截止的開關(guān)信號(hào)。此開關(guān)信號(hào)通過(guò)控制Q3的導(dǎo)通截止間接控制Q1和Q2柵漏極電壓從而達(dá)到對(duì)Q1和Q2導(dǎo)通截止控制。U1的比較基準(zhǔn)電壓由R4和VR1產(chǎn)生。其中穩(wěn)壓二極管VR1的電平即為系統(tǒng)設(shè)定的門檻值。比較輸入電壓由高優(yōu)先級(jí)電源分壓采樣而得。當(dāng)采樣電壓低于門檻值時(shí)，U1比較輸出腳變?yōu)楦唠娖娇刂芉1和Q2導(dǎo)通，低優(yōu)先級(jí)電源供電并通過(guò)二極管阻斷高優(yōu)先級(jí)電源供電。

圖2 切換開關(guān)圖

2.2 二次電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

二次電源轉(zhuǎn)換電路為隨鉆電源系統(tǒng)中的核心模塊。由于隨鉆儀器特殊工作環(huán)境的要求，二次電源轉(zhuǎn)換電路除了輸出電壓紋波的要求外還對(duì)電源轉(zhuǎn)換效率有較高要求。鑒于以上要求，系統(tǒng)采用BUCK型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行DC-DC變換設(shè)計(jì)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要工作方式即在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電源給電感充電，在開關(guān)管截止時(shí)，電感通過(guò)續(xù)流二極管對(duì)輸出電容充電。通過(guò)調(diào)整開關(guān)管的開關(guān)頻率或開關(guān)占空比穩(wěn)定輸出電壓。該種結(jié)構(gòu)可以提供較大輸出電流，可通過(guò)提高輸出電感量保持輸出電流處于連續(xù)狀態(tài)，減小紋波，可通過(guò)只調(diào)整占空比而減小開關(guān)頻率以提高效率[5-7]。本設(shè)計(jì)中使用TI公司的tps40200搭建了一個(gè)BUCK型DC-DC系統(tǒng)。如圖3所示。

圖3 二次電源轉(zhuǎn)換電路

tps40200芯片內(nèi)部晶振和 PMW 根據(jù)輸出電壓的大小進(jìn)行斬波，產(chǎn)生控制信號(hào)后經(jīng)內(nèi)部電壓驅(qū)動(dòng)器從4腳輸出控制P溝道MOS管Q2，此信號(hào)通過(guò)調(diào)整Q2的占空達(dá)到控制輸出電壓脈沖信號(hào)。tps40200芯片同時(shí)從FB腳引入電壓反饋信號(hào)作為內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端，該放大器的輸出還通過(guò)COMP腳以及外圍的阻容電路和FB腳之間構(gòu)成一個(gè)補(bǔ)償環(huán)路最后達(dá)到對(duì)輸出電壓和設(shè)計(jì)值之間的微調(diào)。輸出電壓再通過(guò)之后的嵌位二極管和電感電容組成緩沖整形電路，將電壓脈沖整形成平滑穩(wěn)定電壓輸出[8]。各控制腳電壓如圖4所示。

圖4 控制引腳

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

對(duì)設(shè)計(jì)電源的效率進(jìn)行仿真驗(yàn)證如圖5所示。在負(fù)載電流為0.6～1 A這個(gè)較寬的范圍內(nèi)都能到達(dá)85%以上的效率，滿足不同隨鉆儀器負(fù)責(zé)需求。

圖5 電源效率圖

在電源輸出端串聯(lián)一個(gè)10 Ω電阻作為負(fù)載模擬最大輸出電流500 mA 條件，對(duì)輸出電壓進(jìn)行測(cè)試。輸出電壓穩(wěn)定在5.025 V，紋波在40 mV左右，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨鉆電源系統(tǒng)能夠使電源系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求可靠地切換和關(guān)斷，且功耗低、抗干擾能力強(qiáng)；二次電源紋波和效率均能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

隨鉆測(cè)量?jī)x器供電系統(tǒng)復(fù)雜、且負(fù)載功耗較大，如何保障儀器電源穩(wěn)定工作是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文根據(jù)隨鉆測(cè)量?jī)x器供電特點(diǎn)、電源需求和工程應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)了隨鉆儀器電源系統(tǒng)。解決了不同電源來(lái)源的可靠切換和二次電源設(shè)計(jì)兩大問題。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電源控制電路功耗低、抗干擾能力很強(qiáng)，二次電源轉(zhuǎn)換具有較高效率，能夠滿足隨鉆儀器需求。

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