電磁隨鉆測量系統(tǒng)D類功率放大電路設(shè)計(jì)

摘 要： 針對煤礦井下電磁隨鉆測量系統(tǒng)傳統(tǒng)功放電路功耗大、效率低、體積大、難以適應(yīng)井下供電有限的特殊環(huán)境及工作空間狹小、負(fù)載不穩(wěn)定等問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高效D類功率放大電路。該電路以TDA7492MV功放芯片為核心，采用MSP430系列超低功耗單片機(jī)對其進(jìn)行過流監(jiān)控保護(hù)，其具有輸出阻抗低、體積小、輸出電流大等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，該電路能夠很好地實(shí)現(xiàn)功率放大級的低功耗和高效率。

關(guān)鍵詞： 隨鉆測量； D類功率放大； 高效功率放大電路； 低功耗

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）02?0133?04

Design of class?D power amplification circuit for electromagnetism measuring

while drilling system

YAN Feng， SUN Xiangyang

（School of Electronic Engineering， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China）

Abstract： Since the traditional power amplification circuit of the electromagnetism measuring while drilling system for the underground coal mine has high power consumption， low efficiency and large volume， which is difficult to accommodate to the special environment with the limited power supply， and the facts of narrow workspace and unstable load under the mine， a high efficiency class?D power amplification circuit was designed and realized， in which the power amplification chip TDA7492MV is taken as the kernel， and the ultra?low power dissipation microcontroller in MSP430 series is adopted to monitor and protect itself while it is in overcurrent situation. The circuit has low output resistance， small volume and large output current. The field test results show that the circuit can realize the low power dissipation and high efficiency of the power amplification stage.

Keywords： measurement while drilling； class?D power amplification； efficient power amplification circuit； low?power dissipation

0 引 言

電磁隨鉆測量系統(tǒng)是一種利用低頻電磁波將井下傳感器測到的井斜、方位等數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)降孛?，對鉆孔軌跡進(jìn)行實(shí)時測量和控制的精密儀器。相比于傳統(tǒng)泥漿脈沖遙傳技術(shù)，其具有不受鉆井液影響、信號傳輸速率高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煤礦勘探等欠平衡鉆井中。

煤礦井下隨鉆測量系統(tǒng)普遍采用電池組進(jìn)行供電，而且發(fā)射探管口徑較小。因此系統(tǒng)對功放電路的體積、效率及功耗等要求均較高。傳統(tǒng)的AB類功率放大器工作在線性狀態(tài)，效率低、功耗大，無法保證長時間的持續(xù)鉆進(jìn)作業(yè)，而且需要較大面積的散熱片，導(dǎo)致PCB面積很大，難以適應(yīng)發(fā)射探管狹窄的電路工作空間。

D類功率放大器的功放管工作在開關(guān)狀態(tài)[1?2]，當(dāng)功放管飽和導(dǎo)通時，漏電流雖很大，但大功率MOS管導(dǎo)通電阻非常小，因此自身管耗很小。當(dāng)MOS管截止時，漏電流不足1 μA，靜態(tài)功耗也是非常小的，所以D類功放的效率非常高。對此，本文設(shè)計(jì)了一種用于煤礦井下電磁隨鉆測量系統(tǒng)的高效D類功率放大電路，采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了模擬信號的開關(guān)放大，大大提高了功放效率；通過對開關(guān)放大后的PWM輸出信號進(jìn)行差分無源低通濾波，獲得了質(zhì)量較高的功率信號波形；同時采用MSP430系列超低功耗單片機(jī)對功放實(shí)施過流監(jiān)控保護(hù)，保證了功率穩(wěn)定可靠地輸出。

1 方案設(shè)計(jì)

電磁隨鉆測量系統(tǒng)以鉆桿作天線[3]，絕緣短節(jié)將鉆桿上、下電氣分隔，形成間隙電壓激勵的偶極發(fā)射天線，功放電路兩個輸出端子分別接到上下兩段鉆桿上，從正極出來的激勵電流沿上段鉆桿向上流動，由于鉆桿和地層緊密接觸，地層導(dǎo)電，該軸向電流大部分泄漏到地層回流到下段負(fù)極鉆桿上，如圖1所示。其中灰色部分代表絕緣短節(jié)，內(nèi)部矩形框代表功放電路。

圖1 絕緣短節(jié)偶極發(fā)射天線

圖1中，絕緣偶極發(fā)射天線輸入阻抗（功放負(fù)載）受地層電導(dǎo)率影響很大[4]。煤層鉆進(jìn)中，循環(huán)介質(zhì)主要為煤渣和水的混合物，其電導(dǎo)率較大且不斷變化，導(dǎo)致功放負(fù)載較重、不穩(wěn)定。這種情況下，功放電路不僅要求低功耗、高效率，而且要在發(fā)射倉很狹窄的情況下能夠輸出較大電流，以保證足夠的功率輸出。因此采用D類功率開關(guān)放大技術(shù)最為合適。D類功率放大電路系統(tǒng)功能框圖，見圖2。

圖2 D類功率放大電路系統(tǒng)功能框圖

工作原理是，模擬輸入信號進(jìn)入TDA7492芯片，由內(nèi)部脈沖寬度調(diào)制器將其調(diào)制為PWM波，然后由MOS功率橋電路完成開關(guān)放大，放大后的PWM信號再經(jīng)過外部差分無源低通濾波電路[5?6]，最終輸出模擬差分功率信號。電流監(jiān)控電路[7?8]對發(fā)射電流進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，保證發(fā)射電流穩(wěn)定在正常值。

功放電路系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

（1） 輸出阻抗小，僅為400 mΩ；

（2） 輸出電流較大，最大輸出電流峰值可達(dá)6 A，完全滿足工程需求；

（3） 采用D類功率開關(guān)放大、功耗低、效率高；

（4） PCB面積小，采用帶散熱底座的表貼封裝，可利用PCB大面積銅箔進(jìn)行散熱，無需額外大體積散熱片；

（5） 具有過流保護(hù)電路以及電流自動監(jiān)控電路，性能可靠安全。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 D類功率放大器電路

D類功率放大器電路主要包括TDA7492功放芯片、RC過流保護(hù)電路和差分無源低通濾波電路。功放電路原理圖見圖3。

圖3 D類功率放大器電路原理圖

脈沖寬度調(diào)制是以模擬輸入信號為調(diào)制波，調(diào)制器內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的300 kHz的高頻正弦信號為載波的一種調(diào)制方式。脈沖寬度調(diào)制器本質(zhì)上是一個比較器，低頻模擬輸入信號與內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的高頻載波分別加到比較器兩個端子。當(dāng)輸入低頻模擬信號幅值高于高頻載波幅值時輸出為低電平；當(dāng)輸入低頻模擬信號幅值低于高頻載波幅值時輸出高電平。這樣就產(chǎn)生了具有固定占空比的PWM調(diào)制信號，經(jīng)過驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換為差分PWM波送至功率H橋完成開關(guān)放大。PWM開關(guān)放大邏輯工作過程見圖4。

圖4 PWM開關(guān)放大

功率H橋?yàn)槿珮蚪Y(jié)構(gòu)，由4個N溝道大功率MOS管組成。DRVP與DRVN為兩路差分PWM信號。當(dāng)DRVP與DRVN同高同低，OUTP與OUTN電壓變化相同，負(fù)載上電流無流過；當(dāng)DRVP為高電平，DRVN為低電平時，OUTP上橋臂導(dǎo)通，OUTN下橋臂導(dǎo)通，負(fù)載上承受正向電壓；當(dāng)DRVP為低電平，DRVN為高電平時，OUTP下橋臂導(dǎo)通，OUTN上橋臂導(dǎo)通，負(fù)載上承受反向電壓。

放大后的功率PWM波，需經(jīng)輸出級差分無源低通濾波器濾除高頻載波，還原為模擬功率信號。對于差分無源低通濾波器的設(shè)計(jì)，由于輸出電流很大，RC結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會耗能，不能采用，必須使用LC低通濾波器。其中關(guān)鍵元件為電感L1，L2，電容C3，如圖3所示。電感需要采用屏蔽大功率電感，典型值可取L1=L2=33 μH。調(diào)整電感與電容的值可以改變?yōu)V波器截止頻率，獲得好的諧波失真度。

STBY端口的電阻R1與有極性電容C1構(gòu)成了RC過流保護(hù)電路。其工作原理是，當(dāng)功放輸出端短路時，功放因輸出電流過大而激活過流保護(hù)電路，保護(hù)系統(tǒng)會在1 μs內(nèi)關(guān)閉功率級，輸出的短路電流被開關(guān)切斷，輸出處于高阻態(tài)，這種狀態(tài)的功耗極低。而后每隔一段時間，系統(tǒng)會試圖重啟，重啟間隔時間R1與C1的值決定。如果負(fù)載仍然短路，系統(tǒng)會再次關(guān)閉輸出電流的通路。

2.2 功放電流監(jiān)控電路

鉆進(jìn)作業(yè)過程中，絕緣偶極發(fā)射天線輸入阻抗會隨著地層電導(dǎo)率的變化而變化，發(fā)射電流也隨之變化。當(dāng)遇到電導(dǎo)率較大的地層，功放容易因輸出電流過大而進(jìn)入RC過流短路保護(hù)狀態(tài)，影響測量工作的進(jìn)行。因此對發(fā)射電流的實(shí)時監(jiān)測和控制非常關(guān)鍵。電流監(jiān)控電路主要包括電流取樣[9]、電流檢測放大濾波電路、RMS?DC真有效值轉(zhuǎn)換器、MSP430低功耗微控制器。原理框圖如圖5所示。

圖5 電流監(jiān)控電路原理框圖

功放電流監(jiān)控電路以MSP430系列超低功耗MCU作控制器，對功放增益進(jìn)行自動調(diào)控。為保證對負(fù)載的影響盡可能小，電流取樣電阻阻值很小，取樣信號很微弱，因此需電流檢測放大器、RMS?DC真有效值轉(zhuǎn)換器等組成的電流測量電路對其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)理，再送入MSP430F149片內(nèi)12位精密A/D采集。

2.2.1 電流檢測放大濾波電路

功放輸出為差分功率信號，其單端輸出疊加有較高直流共模分量（大小與供電電源有關(guān)）以及300 kHz高頻載波分量。普通的儀器放大器無法承受太高直流共模分量。因此采用了可承受較高共模電壓的AD629電流檢測差動放大器。AD629是一款高性能差動放大器，最高可承受280 V直流共模電壓，且對差模輸入信號無衰減。差模放大后的信號，再經(jīng)過適當(dāng)放大濾波（濾除300 kHz高頻載波分量）處理后送入RMS?DC轉(zhuǎn)換器。

2.2.2 RMS?DC真有效值轉(zhuǎn)換電路

RMS?DC轉(zhuǎn)換器作用是完成對交流信號真有效值的精密測量。采用真有效值測量方式最大優(yōu)點(diǎn)是能夠精確測量各種電壓波形的有效值，而不必考慮被測波形的參數(shù)以及失真。

本文采用了ADI公司的AD736對取樣信號進(jìn)行有效值測量。AD736是經(jīng)過激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器，其主要特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、靈敏性好（滿量程為200 mV有效值）、測量速率快、頻率特性好（工作頻率范圍為0～460 kHz）、外圍元件少、電源范圍寬且功耗低，其測量綜合誤差不超過±3%。

3 電流監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

電流監(jiān)控軟件程序流程圖，如圖6所示。

圖6 電流監(jiān)控電路自動增益控制流程圖

電流監(jiān)控程序主要包括MCU初始化、ADC中斷服務(wù)子程序、增益控制子程序。系統(tǒng)上電復(fù)位后，MCU預(yù)設(shè)初始增益，啟動A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)時采集RMS?DC轉(zhuǎn)換器輸出的取樣電壓有效值。當(dāng)輸出電流大于4 A時，送增益控制命令GAIN給功放增益控制I/O口，降低功放電壓增益，以達(dá)到減小輸出電流的目的，使得功放回到正常工作狀態(tài)，返回繼續(xù)檢測。工作過程中，再出現(xiàn)過流時，則繼續(xù)下調(diào)增益，使得發(fā)射電流再次回到正常值，如此循環(huán)。為保證測量的準(zhǔn)確性，A/D對輸入信號一次采樣32個點(diǎn)，求取平均值作為最終判斷結(jié)果。

4 PCB電磁兼容設(shè)計(jì)

系統(tǒng)印制電路板（PCB）設(shè)計(jì)[10]，對于電路的性能至關(guān)重要。由于電流監(jiān)控電路為弱信號電路，功放為強(qiáng)信號電路，為防止相互干擾，設(shè)計(jì)成2塊電路板，在外部以導(dǎo)線相連。另外，為了保證整個系統(tǒng)的低功耗與高效率，監(jiān)控電路所需的正負(fù)電源采用了高效開關(guān)電源。而開關(guān)電源的缺點(diǎn)是高頻紋波較大，如果不做特殊處理，高頻紋波會和輸入信號一起被放大，對功放造成嚴(yán)重干擾。因此，首先本系統(tǒng)的地線設(shè)計(jì)是采用表層大面積敷銅做地線，以降低地線阻抗，減少地線噪聲干擾。其次將功放電路板敷銅地層分割為功率地和信號地，電源入口處以0 Ω電阻連接；另外，電流監(jiān)控電路敷銅地層分割為模擬地、數(shù)字地、開關(guān)電源地，同樣在電源入口處以0 Ω電阻連接。實(shí)際測試，系統(tǒng)各個電路模塊工作正常，性能良好。

5 結(jié) 語

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種煤礦井下電磁隨鉆測量系統(tǒng)D類功率放大電路。該電路采用D類放大技術(shù)實(shí)現(xiàn)了功率的高效放大，大大減少了功耗，解決了傳統(tǒng)功率放大器效率較低的問題；PCB面積小，無需外加散熱片，能輸出較大電流；同時具有功放電流監(jiān)控電路，保證了功率的穩(wěn)定可靠輸出。該電路滿足電磁隨鉆測量系統(tǒng)發(fā)射電路在供電有限的特殊環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高效率功率輸出的實(shí)際要求。

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