隨鉆高效電源的管理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張錚，辛鵬來(lái)，付欣，賀洪斌

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隨鉆高效電源的管理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張錚，辛鵬來(lái)，付欣，賀洪斌

(中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所超聲與物理探測(cè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

根據(jù)隨鉆儀器的工作特點(diǎn)，提供了一種對(duì)隨鉆電源進(jìn)行管理的高效且易于實(shí)現(xiàn)的解決方案，該方案從工作方式上采用間歇供電，使得儀器在非工作狀態(tài)時(shí)電能的消耗降到最低；在工作原理上，采用Buck型開關(guān)電源，使得電能的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大。而根據(jù)不同電源的需求指標(biāo)，數(shù)字電源與模擬電源采用不同的芯片。對(duì)于數(shù)字電源，利用了TPS40200芯片設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，并且在高溫下可實(shí)現(xiàn)較大功率；對(duì)于模擬電源，利用了UC3842芯片適用性廣泛的特點(diǎn)，在其后添加合適變壓器，同時(shí)輸出正負(fù)兩路模擬電源。經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，該方式很大程度上提高了電能的利用效率和電池的工作時(shí)間，符合隨鉆高效電源的設(shè)計(jì)要求。

隨鉆；電源；高效；間歇供電

0 引言

隨鉆測(cè)井在鉆井同時(shí)測(cè)量地層物理參數(shù)，減少測(cè)井時(shí)間，更能真實(shí)地反應(yīng)原狀地層的地質(zhì)特征，同時(shí)可以預(yù)測(cè)地層信息，降低不確定性，有利于及時(shí)有效的決策處理，減少鉆井風(fēng)險(xiǎn)[1]。目前，該技術(shù)已成為高效開發(fā)復(fù)雜油氣藏的重要手段。隨鉆儀器電子系統(tǒng)包括發(fā)射電路、接收電路、采集控制電路等，復(fù)雜且功耗較大，同時(shí)又不能像電纜測(cè)井一起那樣通過(guò)電纜供電，只能通過(guò)電池短節(jié)供電。目前國(guó)內(nèi)隨鉆儀器仍然采用高溫鋰電池供電，額定電流十分有限，為了保證儀器的工作時(shí)間需要將多節(jié)電池串聯(lián)起來(lái)組成電池短節(jié)供電，然而由于鉆鋌空間的限制，不能僅通過(guò)增加鉆鋌長(zhǎng)度來(lái)增加電池短節(jié)的供電量，因此設(shè)計(jì)出合理高效的電源控制系統(tǒng)對(duì)隨鉆儀器的質(zhì)量和在實(shí)際工程中的使用具有十分重要的意義。

針對(duì)隨鉆電源體統(tǒng)的設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[2]提出了一種隨鉆聲波測(cè)井儀電源控制電路，采用間歇供電的方式以提高能效和電池使用壽命，但沒有給出具體電源的工作原理。文獻(xiàn)[3]提出了一種可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換的電源系統(tǒng)，能夠根據(jù)工作狀態(tài)對(duì)電源的來(lái)源進(jìn)行切換，但是該設(shè)計(jì)只針對(duì)某種特殊的供電系統(tǒng)(三種供電來(lái)源)，且切換的過(guò)程是跳變的，容易造成跳變干擾，如果工作在臨界狀態(tài)時(shí)有可能產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)以往設(shè)計(jì)的不足以及隨鉆儀器電源的節(jié)能要求，本文提供了一種簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，在工作原理上采用Buck型開關(guān)電源，在工作方式上采取間歇供電方式，且整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)由控制電路通過(guò)發(fā)送命令字控制，不僅易于實(shí)現(xiàn)，而且有效地提高了電能的使用效率[4-11]。

1 隨鉆電源系統(tǒng)的方案選擇

1.1 作業(yè)環(huán)境溫度

聲波測(cè)井儀器通常需要對(duì)井下數(shù)千米甚至上萬(wàn)米的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息提取，大部分時(shí)間需要工作在高溫環(huán)境下，文獻(xiàn)[12]提出了鉆井過(guò)程中井筒-地層瞬態(tài)傳熱模型，闡釋了鉆井液循環(huán)和停止循環(huán)期間各單元控制組件能量交換機(jī)理，并分析了循環(huán)與非循環(huán)階段井下溫度分布規(guī)律，給出了不同條件下井下環(huán)空溫度分布，圖1為鉆井液循環(huán)狀態(tài)下不同時(shí)間的環(huán)空溫度分布，圖2為鉆井液非循環(huán)狀態(tài)下不同時(shí)間的環(huán)空溫度分布。

由圖中曲線可知，井下數(shù)千米的環(huán)境溫度可以達(dá)到120°C以上，因此在設(shè)計(jì)隨鉆電源系統(tǒng)時(shí)，首先要考慮器件的耐溫特性，選擇高溫特性好的金屬膜器件。

1.2 工作原理和方式的選取

從工作時(shí)間上來(lái)看，隨鉆聲波儀器與鉆井所用時(shí)間相當(dāng)，根據(jù)不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及不同階段，鉆測(cè)時(shí)間約為1~30天[13]，作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)。整個(gè)系統(tǒng)大部分由安置在鉆鋌壁內(nèi)的電池供電，但由于空間有限，電池的容量不能無(wú)限制增加，因而要滿足長(zhǎng)時(shí)間測(cè)井的需求，電源工作原理及方式的選擇就顯得尤為重要。首先，開關(guān)電源較線性電源有其突出的特點(diǎn)[14]：(1) 開關(guān)電源能夠?qū)崿F(xiàn)較大的功率；(2)開關(guān)電源不僅能夠?qū)崿F(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換，而且根據(jù)需要能夠?qū)崿F(xiàn)升壓轉(zhuǎn)換；(3) 相同功率下開關(guān)電源占用的空間更??；(4) 開關(guān)電源電能轉(zhuǎn)化效率更高。那么在電源系統(tǒng)工作原理的選擇上，自然選擇性能更好更能適應(yīng)具體環(huán)境的開關(guān)電源。其次，根據(jù)目前世界上最先進(jìn)的隨鉆聲波測(cè)井儀SonicScope 475的工作方式來(lái)看，分為“采集”模式和“監(jiān)聽”模式，并且相鄰兩次采集的間隔為5~10 s[15]。據(jù)此可推得，在“監(jiān)聽”或者采集間隔的時(shí)間內(nèi)，沒有必要給儀器的整個(gè)系統(tǒng)供電而只需為部分電路供電，因而在設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)不同的電源給予不同的控制，實(shí)現(xiàn)間歇供電的目的。

1.3 換能器的頻率特性

從發(fā)射換能器的角度來(lái)看，目前單極子測(cè)量縱波的頻率在10~20 kHz之間，而四極子測(cè)量橫波范圍低于5 kHz[16]，仍然以斯倫貝謝公司目前最新的儀器SonicScope475為例，該儀器采用發(fā)射換能器的帶寬為1~20 kHz[17]，哈里伯頓公司的APX隨鉆聲波測(cè)井儀的發(fā)射換能器帶寬為10~18 kHz[18]。因此在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)上，開關(guān)的頻率應(yīng)遠(yuǎn)離這些頻段，具體選擇將在下文進(jìn)行闡釋。

2 間歇性高效電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨鉆聲波測(cè)井儀電路部分包括發(fā)射電路、模擬采集電路、數(shù)字采集及控制電路、電源電路等，其中發(fā)射電路供電電壓為200 V，模擬采集電路采用±12 V供電，數(shù)字及控制部分采用+5 V供電。用DSP控制除給自身供電的其他電源部分，整個(gè)電源部分由輸出相對(duì)穩(wěn)定的+22 V的直流電池供電。由于隨鉆測(cè)井儀器系統(tǒng)的電能消耗較大，并且要求較長(zhǎng)的作業(yè)時(shí)間，因而不能像傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)一樣一直保持供電狀態(tài)，本設(shè)計(jì)通過(guò)DSP對(duì)所有電源模塊進(jìn)行控制，在儀器工作間隙停止對(duì)外供電，以求最佳的節(jié)電效果。結(jié)構(gòu)流程如圖3所示。

2.1 5 V電源部分

5 V電源的設(shè)計(jì)采用TPS40200，該芯片輸出最高驅(qū)動(dòng)電流為200 mA，輸入電壓范圍廣，工作頻率為35~500 kHz，且高溫特性好，應(yīng)用靈活方便。

對(duì)于該部分電源的設(shè)計(jì)，首先要考慮到電流采樣電阻的選擇，當(dāng)通過(guò)采樣電阻的電壓降(也即VDD引腳與ISNS引腳的電壓差)超過(guò)100 mV時(shí)，該芯片將在2%的周期內(nèi)立即進(jìn)入停滯狀態(tài)，不再有PWM波的輸出；只有當(dāng)電壓降重新回到100 mV以內(nèi)時(shí)，該芯片將自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。同時(shí)，由于TPS40200的反饋差分運(yùn)放的參考電壓為700 mV，并且輸入端的正反饋補(bǔ)償作用使得PWM波的輸出已經(jīng)能夠達(dá)到滿量程，因而不需要再添加任何的頻率補(bǔ)償措施，從而簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)也同樣充分利用了該芯片的軟啟動(dòng)功能，采集控制電路可以通過(guò)調(diào)節(jié)ss引腳的輸入電壓以控制芯片的工作狀態(tài)(如圖4所示)。

在本設(shè)計(jì)中(具體結(jié)構(gòu)如圖5)，與芯片的RC引腳相連的外接電阻和外接電容，以及芯片內(nèi)部的兩個(gè)震蕩比較器共同決定了該部分電源的工作頻率。該振蕩頻的計(jì)算公式為

與此同時(shí)，為了保證電源的輸出電流不至于過(guò)大而造成其他電路部分的損壞，設(shè)計(jì)在開關(guān)MOS管的漏極端串聯(lián)一個(gè)低電感量的限流電阻，一旦該電阻上的壓降超過(guò)100 mV時(shí)，芯片將停止PWM波的輸出，開關(guān)MOS管也會(huì)一直保持關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)軟啟動(dòng)電容放電，直到該電容上的電壓降到150 mV以下時(shí)，芯片完成復(fù)位等待重新啟動(dòng)。

在該電源啟動(dòng)過(guò)程中，為了使芯片不產(chǎn)生瞬間過(guò)載，本設(shè)計(jì)在ss引腳端適當(dāng)加入了一個(gè)軟啟動(dòng)電容，使得突變上電過(guò)程變成一個(gè)電壓逐漸加載的過(guò)程，平滑了因瞬間上電而產(chǎn)生的跳變，對(duì)芯片起到了一定的保護(hù)作用。對(duì)于具體軟啟動(dòng)時(shí)間的控制，可以由以下公式計(jì)算得出：

最后也是最關(guān)鍵的一步，是對(duì)反饋電阻的選取。如圖6所示，理論上反饋電阻可以選取任意值，但實(shí)際上，較大的電阻會(huì)帶來(lái)較大的熱噪聲，電阻過(guò)小會(huì)使得整個(gè)電路的功耗增加效率降低，因而在各個(gè)阻值選取的過(guò)程中要根據(jù)工作頻率等實(shí)際情況進(jìn)行一定的估算取值。根據(jù)芯片資料上提供的參考電壓為708 mV，輸出電壓可由以下公式得出：

本電源系統(tǒng)放置兩個(gè)相同的5 V電源，其中一個(gè)主要給DSP供電，另外一個(gè)給FPGA及其他外部電路供電，后者的工作狀態(tài)由DSP控制，可以隨時(shí)停止供電輸出，這樣可以大幅度降低空閑狀態(tài)下的耗電。

2.2 ±12 V電源的基本結(jié)構(gòu)

±12 V電源部分的設(shè)計(jì)采用UC3842電源控制芯片，該芯片最高工作頻率達(dá)500 kHz，最大占空比可以達(dá)到100%，啟動(dòng)電流極低，同樣具有很好的高溫特性，采用PWM的控制方式控制電源的穩(wěn)定輸出(電路結(jié)構(gòu)如圖7所示)。

設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先要考慮的是工作頻率，過(guò)高的工作頻率不僅會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的功耗提高，而且在高溫的環(huán)境下會(huì)進(jìn)一步增加芯片的負(fù)擔(dān)；而過(guò)低的頻率會(huì)使得輸出電壓有較大的紋波造成系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定?？紤]的換能器的頻率，選取100 kHz作為工作頻率。對(duì)于工作頻率的控制，與引腳相連的電阻和電容共同決定了實(shí)際的工作頻率，具體計(jì)算公式如下：

然后要注意的是反饋電壓的控制。UC3842內(nèi)部反饋基準(zhǔn)電壓為2.5 V，采樣電壓經(jīng)過(guò)分壓之后的輸入將與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓做比較，當(dāng)反饋電壓較低時(shí)，輸出占空比將會(huì)增加，反之，當(dāng)反饋電壓較高時(shí)，輸出占空比將會(huì)減小。對(duì)于反饋電阻的選取，仍然要考慮到熱噪聲、電感量以及功耗等因素。因而在本設(shè)計(jì)中，反饋電阻阻值選取在5~50 kΩ之間。

由于該部分電源要同時(shí)輸出±12VDC，因而本設(shè)計(jì)引入了一個(gè)單輸入、雙輸出的反激變壓器(見圖8)。同時(shí)在次級(jí)端通過(guò)二極管檢波，產(chǎn)生極性相反的兩路直流電源。根據(jù)反激電源的工作原理，當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)處于充電，電流逐漸增加，當(dāng)開關(guān)管S斷開時(shí)，次級(jí)感應(yīng)出反向電流通過(guò)二極管給次級(jí)電容充電，而此時(shí)變壓器初級(jí)電流不會(huì)瞬間下降，而是隨著次級(jí)的充電過(guò)程而逐漸降低，直到開關(guān)管S再次導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)再次充電，開始下一周期的工作。

另外，由于變壓器磁漏的存在，當(dāng)開關(guān)管S斷開時(shí)，變壓器的初級(jí)會(huì)在開關(guān)管的漏極處產(chǎn)生一個(gè)高壓，如果不將其合理釋放，會(huì)對(duì)開關(guān)管造成破壞，因此本設(shè)計(jì)在變壓器的初級(jí)并聯(lián)一個(gè)RC吸收網(wǎng)絡(luò)以消耗漏磁電壓。適當(dāng)選取RC的阻值和容值，使得吸收網(wǎng)絡(luò)不至于放電太快而造成功耗增加，同時(shí)也要避免放電太慢而失去吸收效果。

同時(shí)，通過(guò)控制三極管2N3904的通斷來(lái)控制芯片的工作狀態(tài)(如圖9)。當(dāng)三極管關(guān)斷，芯片CMPEN引腳處于反饋補(bǔ)償狀態(tài)，芯片正常工作；當(dāng)三極管導(dǎo)通，相當(dāng)于CMPEN和地短接，失去反饋補(bǔ)償作用，芯片處于復(fù)位狀態(tài)，無(wú)輸出電壓。這樣，在空閑時(shí)段，同樣將該部分電源的消耗降到了最低。

2.3 200 V高壓電源

200 V電源仍然采用U3842芯片產(chǎn)生PWM波，同樣采用三極管開關(guān)來(lái)控制芯片的工作狀態(tài)，其工作原理及電路基本與±12 V模擬電源相似，需要適當(dāng)調(diào)節(jié)反饋電阻的阻值，這里就不再重復(fù)贅述。

3 實(shí)驗(yàn)效果

考慮到實(shí)際隨鉆測(cè)井的作業(yè)環(huán)境，要對(duì)各部分電源的性能在高溫高壓環(huán)境下進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試。由此，在對(duì)該部分電源測(cè)試時(shí)，將其放置在175 °C的高溫環(huán)境下，并且經(jīng)過(guò)兩個(gè)小時(shí)以上的加溫測(cè)試，其結(jié)果顯示為仍然能夠正常穩(wěn)定工作。

各部分電源分開測(cè)試的具體指標(biāo)為：+5 V電源輸入電流為100 mA時(shí)高溫下效率為76%，±12V電源輸入電流在200 mA時(shí)高溫下的效率為73%，200 V高壓電源輸入電流在100 mA時(shí)高溫下的效率為67%，所有輸出電源的紋波都在1%以內(nèi)，完全能夠滿足隨鉆實(shí)際測(cè)井的需要。

繼續(xù)總體測(cè)試，檢驗(yàn)間歇工作方式的效果，所有電源的供電都由一個(gè)22 V的直流供電。在高溫環(huán)境下，整個(gè)儀器工作階段，當(dāng)輸入電流在400 mA以上時(shí)，電源的效率可以達(dá)到70%以上，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未經(jīng)控制的線性電源，符合隨鉆儀器的設(shè)計(jì)要求；在儀器工作的間隙，采用停電的方式，使得電路的額外熱損耗降到了最低，與普通的非停電方式相比，電能的利用效率提高了50%，電池的使用時(shí)間也隨之提高了30%以上，因而，在實(shí)際的隨鉆測(cè)井過(guò)程中這種方式可以很有效地增加測(cè)井時(shí)間和測(cè)井深度，同時(shí)在工程應(yīng)用上該方式易于實(shí)現(xiàn)，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)論

隨鉆儀器供電系統(tǒng)復(fù)雜，且負(fù)載功耗較大，提高電源的使用效率，增加工作時(shí)間具有十分重要的意義。本文根據(jù)隨鉆儀器的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一種最大化減小電能消耗的電源管理方式，同時(shí)該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，在工程上易于實(shí)現(xiàn)，滿足了隨鉆系統(tǒng)對(duì)高效電源的需求。

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The optimal control system design of high efficiency power supply in logging while drilling tool

ZHANG Zheng, XIN Peng-lai, FU Xin, HE Hong-bin

(Ultrasound and Physical Exploration Laboratory, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China)

This paper proposes a simple and practical method of managing power system according to the characteristics of logging while drilling tool. On working mode, this scheme adopts a method of intermittent power supply, by which the energy dissipation will be totally reduced when the tool is in the non-working state. On working principle, the Buck switching power supply is applied to maximizing the power conversion efficiency. According to the different requirements of different power supplys, both the digital power and the analog power are treated with distinct chips. For the digital one, the TPS40200 is put into application to achieve the goal of high-power and easiness in high temperature circumstance. For the analog one, the chip UC3842 is utilized to output positive and negative power simultaneously with a certain transformer. At last, numerous experimental results prove that this power system can greatly improve the energy utilization efficiency and the operation time of battery. Therefore, this design meets the requirements of high efficiency power supply in logging while drilling tool.

Logging While Drilling(LWD); power system; high efficiency; intermittent power supply

TB556

A

1000-3630(2015)-06-0556-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.06.017

2015-01-18;

2015-04-16

張錚(1988－), 男, 河南南陽(yáng)人, 博士研究生, 研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

張錚, E-mail: zhangzheng10@mails.ucas.ac.cn