隨鉆電源系統設計

仇傲，李源，劉西恩，肖兵

（中海油服油田技術研究院，河北 燕郊 065201）

0 引言

從20世紀90年代開始，隨著大斜度井、水平井和側向鉆井等勘探和鉆井技術的發展，常規的電纜測井方法受到很大限制，隨鉆測井技術得到加速發展和完善。隨鉆測井是在鉆井過程中用安裝在鉆鋌中的測井儀器測量地層性質并將測量結果傳送到地面或記錄在井下存儲器中的一種技術[1]。相比電纜測井儀器，隨鉆測井儀器安裝鉆鋌內較小空間，只能采用井下供電方式。同時儀器還需要在地面進行數據讀取，因此其電源系統要求兼容多種供電方式。

1 隨鉆電源系統需求

隨鉆儀器的供電一般由中控儀器統一供電。電源來源為泥漿發電機或多節鋰電池串聯而成的電池短節。由于鉆鋌空間有限，電池短節不能做得太長。通用的為36節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計[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保證儀器完成測量工作。備份電池組根據儀器不同，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行數據讀取時，通過數據讀取盒從儀器的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 隨鉆電源系統設計

根據電源需求分析，系統從3路來源中自動切換出一路進行二次電源變換，產生采集傳輸電路所需的數字+5 V和模擬±12 V。若是儀器具有高壓要求，則從通過備份電池組經高壓轉換模塊產生儀器所需高壓。系統結構圖如圖1所示。

圖1 隨鉆電源系統框圖

2.1 多路供電切換開關設計

切換開發部分按照表1設計的優先次序選擇不同的電源來源。當正在使用的高優先電源壓降低于設定門檻值時自動切換下一個優先級電源。

傳統繼電器和集成模擬開關芯片的導通電阻都在0.5 Ω到幾歐姆的范圍內，在大電流輸出的情況下會產生很大的電壓降，影響供電電壓的準確性以及后續DC-DC轉換效率。

本系統中按照圖2所示設計了切換開關。其中開關部件選用增強型MOSFET管。當Q1和Q2截止時關斷電源輸出，在導通時形成一個電壓源。MOSFET管導通電阻只有幾毫歐滿足系統需求。比較器U1產生控制Q1和Q2的導通截止的開關信號。此開關信號通過控制Q3的導通截止間接控制Q1和Q2柵漏極電壓從而達到對Q1和Q2導通截止控制。U1的比較基準電壓由R4和VR1產生。其中穩壓二極管VR1的電平即為系統設定的門檻值。比較輸入電壓由高優先級電源分壓采樣而得。當采樣電壓低于門檻值時，U1比較輸出腳變為高電平控制Q1和Q2導通，低優先級電源供電并通過二極管阻斷高優先級電源供電。

圖2 切換開關圖

2.2 二次電源轉換電路設計

二次電源轉換電路為隨鉆電源系統中的核心模塊。由于隨鉆儀器特殊工作環境的要求，二次電源轉換電路除了輸出電壓紋波的要求外還對電源轉換效率有較高要求。鑒于以上要求，系統采用BUCK型拓撲結構進行DC-DC變換設計。該拓撲結構的主要工作方式即在開關管導通時，輸入電源給電感充電，在開關管截止時，電感通過續流二極管對輸出電容充電。通過調整開關管的開關頻率或開關占空比穩定輸出電壓。該種結構可以提供較大輸出電流，可通過提高輸出電感量保持輸出電流處于連續狀態，減小紋波，可通過只調整占空比而減小開關頻率以提高效率[5-7]。本設計中使用TI公司的tps40200搭建了一個BUCK型DC-DC系統。如圖3所示。

圖3 二次電源轉換電路

tps40200芯片內部晶振和 PMW 根據輸出電壓的大小進行斬波，產生控制信號后經內部電壓驅動器從4腳輸出控制P溝道MOS管Q2，此信號通過調整Q2的占空達到控制輸出電壓脈沖信號。tps40200芯片同時從FB腳引入電壓反饋信號作為內部誤差放大器的反相輸入端，該放大器的輸出還通過COMP腳以及外圍的阻容電路和FB腳之間構成一個補償環路最后達到對輸出電壓和設計值之間的微調。輸出電壓再通過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 仿真與實驗

對設計電源的效率進行仿真驗證如圖5所示。在負載電流為0.6～1 A這個較寬的范圍內都能到達85%以上的效率，滿足不同隨鉆儀器負責需求。

圖5 電源效率圖

在電源輸出端串聯一個10 Ω電阻作為負載模擬最大輸出電流500 mA 條件，對輸出電壓進行測試。輸出電壓穩定在5.025 V，紋波在40 mV左右，達到設計要求。

根據仿真和實驗結果，隨鉆電源系統能夠使電源系統根據設計要求可靠地切換和關斷，且功耗低、抗干擾能力強；二次電源紋波和效率均能夠滿足設計要求。

4 結論

隨鉆測量儀器供電系統復雜、且負載功耗較大，如何保障儀器電源穩定工作是一項關鍵技術。本文根據隨鉆測量儀器供電特點、電源需求和工程應用要求，設計了隨鉆儀器電源系統。解決了不同電源來源的可靠切換和二次電源設計兩大問題。仿真和實驗結果表明，所設計的電源控制電路功耗低、抗干擾能力很強，二次電源轉換具有較高效率，能夠滿足隨鉆儀器需求。

[1]張辛耘,王敬農,郭彥軍.隨鉆測井技術進展和發展趨勢[J].測井技術,2006,30(02):10-11.

[2]肖紅兵,鞠曉東,楊錦舟.隨鉆聲波測井儀高效電源設計[J].聲學技術,2009,5(10):1-3.

[3]黃忠富,黃瑞光,陳鵬.隨鉆電阻率測井儀器的實現[J].測井技術,2002,26(1):172-173.

[4]馬哲,李軍,王朝陽等.隨鉆感應電阻率測井儀器測量原理與應用[J].測井技術,2004,28(4):155-156.

[5]張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京:電子工業出版社,2006:16-26.

[6]謝應孝.BUCK型DC/DC開關電源的研究與設計[D].哈爾濱:黑龍江大學,2010:7-15.

[7]脫立芳.降壓型PWM DC-DC開關電源研究[D].西安:西安電子科技大學,2008:9-22.

[8]劉金濤,田書林,付在明.一種高精度低紋波的 DC-DC電源設計[J].中國測試,2010,36(11):63-64.