寬輸入電壓范圍小功率直流穩壓電源設計

西安石油大學　郭文旭　魏晴晴　王　瀟

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寬輸入電壓范圍小功率直流穩壓電源設計

西安石油大學郭文旭魏晴晴王瀟

【摘要】在導向鉆井系統中，井下導向工具需要由受鉆井液驅動的渦輪電機供電。由于鉆井液流量需滿足鉆井工程的要求，故鉆井液流量會有一個較寬的變動范圍，對應地，井下直流電源也必須適應輸入電壓的寬范圍變化要求，維持穩定的電壓輸出。采用脈寬調制技術設計了一個小功率的直流穩壓電源，其交流輸入為12V-64VAC，輸出為12VDC。該電源由輸入電壓檢測、前饋控制運算、脈寬調制控制、穩壓濾波等部分所構成，討論了電路原理，給出了詳細的電路設計，實驗驗證了設計是可行的。

【關鍵詞】直流穩壓電源； 寬電壓輸入范圍；PWM控制器；前饋控制；

0　前言

在鉆井、隨鉆測井（MWD）、隨鉆錄井（LWD）和智能井等井下控制裝置中都需要用到直流穩壓電源，同時穩壓電源的輸入一般為井下渦輪電機。渦輪電機的電壓輸出取決于渦輪轉速，而井下水力渦輪的轉速又取決于鉆井液的流量。在鉆井、隨鉆錄井中，鉆井液流量需滿足鉆井工程的要求以適應不同地質和鉆井工藝的要求，因此，鉆井液流量會有一個很寬的變動范圍，這就導致渦輪電機的電壓也會在一個很寬的范圍內變動。為保證井下直流電源具有更高的適應性，以滿足輸入電壓寬范圍變化的要求，設計選定直流穩壓電源的交流輸入為12V-64V是合理的，設計這樣一個寬輸入的直流穩壓電源是一件比較有價值的事。

1　工作原理

電源包括三大部分：第一、整流部分，利用四個二極管集成而成的整流橋進行整流， 將變壓器次級交流電壓變換為單向脈動的直流電壓。第二、濾波處理，將脈動的直流電壓變換為平滑的直流電壓。第三、穩壓部分，利用TL431、SG3525、CD4069以及MOSFET等器件組成的PMW開關電源的穩壓電路部分。

圖1　系統結構

電路工作原理：對電壓為12V~64V的交流輸入，經整流橋整流、濾波后由檢測電路采樣，得到輸入電壓的檢測信號，電壓信號送入控制運算電路，經過信號運算處理，得到與輸入電壓成反比的PWM控制輸出，即輸入電壓增大時相應的輸出信號的占空比減小，對MOSFET進行PWM開關控制；從而獲得低紋波的穩壓輸出。

圖2　脈寬調制電路

2　電路方案設計

2.1信號處理電路設計

利用TL431進行輸入電壓采樣，當功率輸出端電壓小于12V時，用大電阻進行分壓采樣2.5V電壓送到TL431的輸入端，TL431的輸出端就會產生一個較小的差動電流作用在光耦元件之上，差值越小，產生的電流也就越小，這樣作用在光耦上的電流也就越小，使得光耦的輸出端產生的電壓也就越低，簡而言之就是，當功率輸出端的電壓低于12V時，輸送到SG3525輸入端的電壓也就越小，反之，當功率端電壓高于12V時，送到SG3525的反饋電壓也就越大，從而達到采樣輸入電壓的目的。

2.2PWM控制電路

由TL431與光耦處理后的電路，將輸出的電壓送到SG3525的端子2，經SG3525處理將正弦波轉換成矩形波，可以調節輸入電壓的大小從而調節占空比的大小。這里二極管的作用是利用了其單向導電性，使矩形波可以順利顯示，并且還具有整流作用，使矩形波更加平滑。

SG3525 采用精度為±%1的5.1V帶隙基準源，具有很高的溫度穩定性和較低的噪聲等級，能提供1-20mA 的電流，可以作為電路中電壓和電流的給定基準。振蕩器的振蕩頻率由外接的電阻RT和電容CT 決定，而外接電容同時還決定死區時間的長短，開關頻率同 RT和電容CT的關系如下：

RD為引腳6、7間跨接的電阻值。根據需要電路的頻率的10KHZ，所以我們應該選擇合適的電阻值和電容值，由上面的公式可得我們將CT定為0.01μF，則有：

則有RT≤14.3K。又因為RD≤500Ω我們選擇RT=14K，RD=67歐。這樣我們設計出的功率為10KHZ。SG3525兩輸出引腳并聯輸出即可使產生的PWM信號占空比在0%~100%之間變化。

當輸入的采樣電壓增大時，相對應的SG3525輸出PWM波占空比也相應增大。而在此我們要選擇合適的R5和R6，以及C2，脈寬調制電路如圖2所示。

當SG3525的輸入信號為1.05V時，輸出的占空比為1.3%，當輸入電壓幅值為3.30V時，輸出的方波占空比為81.3%，而當輸入電壓幅值為2.35V時，輸出方波的占空比為50%。當輸入電壓幅值>3.30V時，輸出的方波占空比保持為約90.2%，并不再變化。

2.3MOSFET驅動電路

MOSFET驅動電路如如圖3所示。

圖3　MOSFET驅動電路

選擇12V的穩壓管D3、D5和5.1K的電阻R16接地對場效應管進行過壓保護，這樣可以使得MOS管g-s端電壓不會超出12V。在此電路中R16主要是當MOS管關斷或開路時進行續流保護，為了防止當經過MOS管的電流過大時造成虛導通，而使SG3525擊穿。而R14和C4是場效應管Q1的保護電路，當MOS管兩端電壓增大時，R14和C4進行放電，防止MOS本身的寄生電容和電感擊穿，從而保護MOS管。

3　總結

在輸入電壓12V~64VAC的輸入范圍內，PWM控制信號在10.2%~91.3%之間變化，輸出電壓穩定在DC12V±0.2V之間，輸出紋波滿足井下設備的供電要求，說明電路工作正常。占空比與輸入電壓之間的關系實測表明，信號的測量和控制運算電路設計可行。

參考文獻

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基金項目：陜西省大學生創新創業訓練計劃資助項目（項目編號：2014107051032）。