隨鉆高效電源的管理系統優化設計

張錚，辛鵬來，付欣，賀洪斌

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隨鉆高效電源的管理系統優化設計

張錚，辛鵬來，付欣，賀洪斌

(中國科學院聲學研究所超聲與物理探測實驗室，北京 100190)

根據隨鉆儀器的工作特點，提供了一種對隨鉆電源進行管理的高效且易于實現的解決方案，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時電能的消耗降到最低；在工作原理上，采用Buck型開關電源，使得電能的轉化效率達到最大。而根據不同電源的需求指標，數字電源與模擬電源采用不同的芯片。對于數字電源，利用了TPS40200芯片設計簡單的特點，并且在高溫下可實現較大功率；對于模擬電源，利用了UC3842芯片適用性廣泛的特點，在其后添加合適變壓器，同時輸出正負兩路模擬電源。經過實際驗證，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間，符合隨鉆高效電源的設計要求。

隨鉆；電源；高效；間歇供電

0 引言

隨鉆測井在鉆井同時測量地層物理參數，減少測井時間，更能真實地反應原狀地層的地質特征，同時可以預測地層信息，降低不確定性，有利于及時有效的決策處理，減少鉆井風險[1]。目前，該技術已成為高效開發復雜油氣藏的重要手段。隨鉆儀器電子系統包括發射電路、接收電路、采集控制電路等，復雜且功耗較大，同時又不能像電纜測井一起那樣通過電纜供電，只能通過電池短節供電。目前國內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間需要將多節電池串聯起來組成電池短節供電，然而由于鉆鋌空間的限制，不能僅通過增加鉆鋌長度來增加電池短節的供電量，因此設計出合理高效的電源控制系統對隨鉆儀器的質量和在實際工程中的使用具有十分重要的意義。

針對隨鉆電源體統的設計，文獻[2]提出了一種隨鉆聲波測井儀電源控制電路，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[3]提出了一種可以實現自動切換的電源系統，能夠根據工作狀態對電源的來源進行切換，但是該設計只針對某種特殊的供電系統(三種供電來源)，且切換的過程是跳變的，容易造成跳變干擾，如果工作在臨界狀態時有可能產生不穩定狀態。

根據以往設計的不足以及隨鉆儀器電源的節能要求，本文提供了一種簡單的設計，在工作原理上采用Buck型開關電源，在工作方式上采取間歇供電方式，且整個系統的狀態由控制電路通過發送命令字控制，不僅易于實現，而且有效地提高了電能的使用效率[4-11]。

1 隨鉆電源系統的方案選擇

1.1 作業環境溫度

聲波測井儀器通常需要對井下數千米甚至上萬米的地質結構進行信息提取，大部分時間需要工作在高溫環境下，文獻[12]提出了鉆井過程中井筒-地層瞬態傳熱模型，闡釋了鉆井液循環和停止循環期間各單元控制組件能量交換機理，并分析了循環與非循環階段井下溫度分布規律，給出了不同條件下井下環空溫度分布，圖1為鉆井液循環狀態下不同時間的環空溫度分布，圖2為鉆井液非循環狀態下不同時間的環空溫度分布。

由圖中曲線可知，井下數千米的環境溫度可以達到120°C以上，因此在設計隨鉆電源系統時，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

從工作時間上來看，隨鉆聲波儀器與鉆井所用時間相當，根據不同的地質結構以及不同階段，鉆測時間約為1~30天[13]，作業時間較長。整個系統大部分由安置在鉆鋌壁內的電池供電，但由于空間有限，電池的容量不能無限制增加，因而要滿足長時間測井的需求，電源工作原理及方式的選擇就顯得尤為重要。首先，開關電源較線性電源有其突出的特點[14]：(1) 開關電源能夠實現較大的功率；(2)開關電源不僅能夠實現降壓轉換，而且根據需要能夠實現升壓轉換；(3) 相同功率下開關電源占用的空間更小；(4) 開關電源電能轉化效率更高。那么在電源系統工作原理的選擇上，自然選擇性能更好更能適應具體環境的開關電源。其次，根據目前世界上最先進的隨鉆聲波測井儀SonicScope 475的工作方式來看，分為“采集”模式和“監聽”模式，并且相鄰兩次采集的間隔為5~10 s[15]。據此可推得，在“監聽”或者采集間隔的時間內，沒有必要給儀器的整個系統供電而只需為部分電路供電，因而在設計時，針對不同的電源給予不同的控制，實現間歇供電的目的。

1.3 換能器的頻率特性

從發射換能器的角度來看，目前單極子測量縱波的頻率在10~20 kHz之間，而四極子測量橫波范圍低于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隨鉆聲波測井儀的發射換能器帶寬為10~18 kHz[18]。因此在開關電源的設計上，開關的頻率應遠離這些頻段，具體選擇將在下文進行闡釋。

2 間歇性高效電源的優化設計與實現

隨鉆聲波測井儀電路部分包括發射電路、模擬采集電路、數字采集及控制電路、電源電路等，其中發射電路供電電壓為200 V，模擬采集電路采用±12 V供電，數字及控制部分采用+5 V供電。用DSP控制除給自身供電的其他電源部分，整個電源部分由輸出相對穩定的+22 V的直流電池供電。由于隨鉆測井儀器系統的電能消耗較大，并且要求較長的作業時間，因而不能像傳統的供電系統一樣一直保持供電狀態，本設計通過DSP對所有電源模塊進行控制，在儀器工作間隙停止對外供電，以求最佳的節電效果。結構流程如圖3所示。

2.1 5 V電源部分

5 V電源的設計采用TPS40200，該芯片輸出最高驅動電流為200 mA，輸入電壓范圍廣，工作頻率為35~500 kHz，且高溫特性好，應用靈活方便。

對于該部分電源的設計，首先要考慮到電流采樣電阻的選擇，當通過采樣電阻的電壓降(也即VDD引腳與ISNS引腳的電壓差)超過100 mV時，該芯片將在2%的周期內立即進入停滯狀態，不再有PWM波的輸出；只有當電壓降重新回到100 mV以內時，該芯片將自動恢復到正常工作狀態。同時，由于TPS40200的反饋差分運放的參考電壓為700 mV，并且輸入端的正反饋補償作用使得PWM波的輸出已經能夠達到滿量程，因而不需要再添加任何的頻率補償措施，從而簡化了電路的設計。本設計也同樣充分利用了該芯片的軟啟動功能，采集控制電路可以通過調節ss引腳的輸入電壓以控制芯片的工作狀態(如圖4所示)。

在本設計中(具體結構如圖5)，與芯片的RC引腳相連的外接電阻和外接電容，以及芯片內部的兩個震蕩比較器共同決定了該部分電源的工作頻率。該振蕩頻的計算公式為

與此同時，為了保證電源的輸出電流不至于過大而造成其他電路部分的損壞，設計在開關MOS管的漏極端串聯一個低電感量的限流電阻，一旦該電阻上的壓降超過100 mV時，芯片將停止PWM波的輸出，開關MOS管也會一直保持關斷狀態，此時軟啟動電容放電，直到該電容上的電壓降到150 mV以下時，芯片完成復位等待重新啟動。

在該電源啟動過程中，為了使芯片不產生瞬間過載，本設計在ss引腳端適當加入了一個軟啟動電容，使得突變上電過程變成一個電壓逐漸加載的過程，平滑了因瞬間上電而產生的跳變，對芯片起到了一定的保護作用。對于具體軟啟動時間的控制，可以由以下公式計算得出：

最后也是最關鍵的一步，是對反饋電阻的選取。如圖6所示，理論上反饋電阻可以選取任意值，但實際上，較大的電阻會帶來較大的熱噪聲，電阻過小會使得整個電路的功耗增加效率降低，因而在各個阻值選取的過程中要根據工作頻率等實際情況進行一定的估算取值。根據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：

本電源系統放置兩個相同的5 V電源，其中一個主要給DSP供電，另外一個給FPGA及其他外部電路供電，后者的工作狀態由DSP控制，可以隨時停止供電輸出，這樣可以大幅度降低空閑狀態下的耗電。

2.2 ±12 V電源的基本結構

±12 V電源部分的設計采用UC3842電源控制芯片，該芯片最高工作頻率達500 kHz，最大占空比可以達到100%，啟動電流極低，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定輸出(電路結構如圖7所示)。

設計的過程中，首先要考慮的是工作頻率，過高的工作頻率不僅會導致系統的功耗提高，而且在高溫的環境下會進一步增加芯片的負擔；而過低的頻率會使得輸出電壓有較大的紋波造成系統工作的不穩定。考慮的換能器的頻率，選取100 kHz作為工作頻率。對于工作頻率的控制，與引腳相連的電阻和電容共同決定了實際的工作頻率，具體計算公式如下：

然后要注意的是反饋電壓的控制。UC3842內部反饋基準電壓為2.5 V，采樣電壓經過分壓之后的輸入將與內部基準電壓做比較，當反饋電壓較低時，輸出占空比將會增加，反之，當反饋電壓較高時，輸出占空比將會減小。對于反饋電阻的選取，仍然要考慮到熱噪聲、電感量以及功耗等因素。因而在本設計中，反饋電阻阻值選取在5~50 kΩ之間。

由于該部分電源要同時輸出±12VDC，因而本設計引入了一個單輸入、雙輸出的反激變壓器(見圖8)。同時在次級端通過二極管檢波，產生極性相反的兩路直流電源。根據反激電源的工作原理，當開關管S導通時，變壓器初級處于充電，電流逐漸增加，當開關管S斷開時，次級感應出反向電流通過二極管給次級電容充電，而此時變壓器初級電流不會瞬間下降，而是隨著次級的充電過程而逐漸降低，直到開關管S再次導通時，初級再次充電，開始下一周期的工作。

另外，由于變壓器磁漏的存在，當開關管S斷開時，變壓器的初級會在開關管的漏極處產生一個高壓，如果不將其合理釋放，會對開關管造成破壞，因此本設計在變壓器的初級并聯一個RC吸收網絡以消耗漏磁電壓。適當選取RC的阻值和容值，使得吸收網絡不至于放電太快而造成功耗增加，同時也要避免放電太慢而失去吸收效果。

同時，通過控制三極管2N3904的通斷來控制芯片的工作狀態(如圖9)。當三極管關斷，芯片CMPEN引腳處于反饋補償狀態，芯片正常工作；當三極管導通，相當于CMPEN和地短接，失去反饋補償作用，芯片處于復位狀態，無輸出電壓。這樣，在空閑時段，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芯片產生PWM波，同樣采用三極管開關來控制芯片的工作狀態，其工作原理及電路基本與±12 V模擬電源相似，需要適當調節反饋電阻的阻值，這里就不再重復贅述。

3 實驗效果

考慮到實際隨鉆測井的作業環境，要對各部分電源的性能在高溫高壓環境下進行嚴格的測試。由此，在對該部分電源測試時，將其放置在175 °C的高溫環境下，并且經過兩個小時以上的加溫測試，其結果顯示為仍然能夠正常穩定工作。

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

繼續總體測試，檢驗間歇工作方式的效果，所有電源的供電都由一個22 V的直流供電。在高溫環境下，整個儀器工作階段，當輸入電流在400 mA以上時，電源的效率可以達到70%以上，其效率遠遠大于未經控制的線性電源，符合隨鉆儀器的設計要求；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%，電池的使用時間也隨之提高了30%以上，因而，在實際的隨鉆測井過程中這種方式可以很有效地增加測井時間和測井深度，同時在工程應用上該方式易于實現，具有很好的實用價值。

4 結論

隨鉆儀器供電系統復雜，且負載功耗較大，提高電源的使用效率，增加工作時間具有十分重要的意義。本文根據隨鉆儀器的工作特點，設計出了一種最大化減小電能消耗的電源管理方式，同時該方法結構簡單，性能穩定，在工程上易于實現，滿足了隨鉆系統對高效電源的需求。

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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, 河南南陽人, 博士研究生, 研究方向為信號與信息處理。

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