電磁隨鉆測量系統D類功率放大電路設計

摘 要： 針對煤礦井下電磁隨鉆測量系統傳統功放電路功耗大、效率低、體積大、難以適應井下供電有限的特殊環境及工作空間狹小、負載不穩定等問題，設計并實現了一種高效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對其進行過流監控保護，其具有輸出阻抗低、體積小、輸出電流大等優點?，F場試驗表明，該電路能夠很好地實現功率放大級的低功耗和高效率。

關鍵詞： 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 文獻標識碼： 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、方位等數據信息傳輸到地面，對鉆孔軌跡進行實時測量和控制的精密儀器。相比于傳統泥漿脈沖遙傳技術，其具有不受鉆井液影響、信號傳輸速率高、結構簡單等優點，廣泛應用于煤礦勘探等欠平衡鉆井中。

煤礦井下隨鉆測量系統普遍采用電池組進行供電，而且發射探管口徑較小。因此系統對功放電路的體積、效率及功耗等要求均較高。傳統的AB類功率放大器工作在線性狀態，效率低、功耗大，無法保證長時間的持續鉆進作業，而且需要較大面積的散熱片，導致PCB面積很大，難以適應發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狀態[1?2]，當功放管飽和導通時，漏電流雖很大，但大功率MOS管導通電阻非常小，因此自身管耗很小。當MOS管截止時，漏電流不足1 μA，靜態功耗也是非常小的，所以D類功放的效率非常高。對此，本文設計了一種用于煤礦井下電磁隨鉆測量系統的高效D類功率放大電路，采用脈沖寬度調制技術實現了模擬信號的開關放大，大大提高了功放效率；通過對開關放大后的PWM輸出信號進行差分無源低通濾波，獲得了質量較高的功率信號波形；同時采用MSP430系列超低功耗單片機對功放實施過流監控保護，保證了功率穩定可靠地輸出。

1 方案設計

電磁隨鉆測量系統以鉆桿作天線[3]，絕緣短節將鉆桿上、下電氣分隔，形成間隙電壓激勵的偶極發射天線，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，地層導電，該軸向電流大部分泄漏到地層回流到下段負極鉆桿上，如圖1所示。其中灰色部分代表絕緣短節，內部矩形框代表功放電路。

圖1 絕緣短節偶極發射天線

圖1中，絕緣偶極發射天線輸入阻抗（功放負載）受地層電導率影響很大[4]。煤層鉆進中，循環介質主要為煤渣和水的混合物，其電導率較大且不斷變化，導致功放負載較重、不穩定。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類功率開關放大技術最為合適。D類功率放大電路系統功能框圖，見圖2。

圖2 D類功率放大電路系統功能框圖

工作原理是，模擬輸入信號進入TDA7492芯片，由內部脈沖寬度調制器將其調制為PWM波，然后由MOS功率橋電路完成開關放大，放大后的PWM信號再經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。電流監控電路[7?8]對發射電流進行實時監控，保證發射電流穩定在正常值。

功放電路系統特點如下：

（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6 A，完全滿足工程需求；

（3） 采用D類功率開關放大、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大面積銅箔進行散熱，無需額外大體積散熱片；

（5） 具有過流保護電路以及電流自動監控電路，性能可靠安全。

2 硬件電路設計

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

脈沖寬度調制是以模擬輸入信號為調制波，調制器內部振蕩器產生的300 kHz的高頻正弦信號為載波的一種調制方式。脈沖寬度調制器本質上是一個比較器，低頻模擬輸入信號與內部振蕩器產生的高頻載波分別加到比較器兩個端子。當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。這樣就產生了具有固定占空比的PWM調制信號，經過驅動電路轉換為差分PWM波送至功率H橋完成開關放大。PWM開關放大邏輯工作過程見圖4。

圖4 PWM開關放大

功率H橋為全橋結構，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DRVP與DRVN同高同低，OUTP與OUTN電壓變化相同，負載上電流無流過；當DRVP為高電平，DRVN為低電平時，OUTP上橋臂導通，OUTN下橋臂導通，負載上承受正向電壓；當DRVP為低電平，DRVN為高電平時，OUTP下橋臂導通，OUTN上橋臂導通，負載上承受反向電壓。

放大后的功率PWM波，需經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計，由于輸出電流很大，RC結構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。調整電感與電容的值可以改變濾波器截止頻率，獲得好的諧波失真度。

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

2.2 功放電流監控電路

鉆進作業過程中，絕緣偶極發射天線輸入阻抗會隨著地層電導率的變化而變化，發射電流也隨之變化。當遇到電導率較大的地層，功放容易因輸出電流過大而進入RC過流短路保護狀態，影響測量工作的進行。因此對發射電流的實時監測和控制非常關鍵。電流監控電路主要包括電流取樣[9]、電流檢測放大濾波電路、RMS?DC真有效值轉換器、MSP430低功耗微控制器。原理框圖如圖5所示。

圖5 電流監控電路原理框圖

功放電流監控電路以MSP430系列超低功耗MCU作控制器，對功放增益進行自動調控。為保證對負載的影響盡可能小，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真有效值轉換器等組成的電流測量電路對其進行適當調理，再送入MSP430F149片內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）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，再經過適當放大濾波（濾除300 kHz高頻載波分量）處理后送入RMS?DC轉換器。

2.2.2 RMS?DC真有效值轉換電路

RMS?DC轉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點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以及失真。

本文采用了ADI公司的AD736對取樣信號進行有效值測量。AD736是經過激光修正的單片精密真有效值AC/DC轉換器，其主要特點是準確度高、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 電流監控程序設計

電流監控軟件程序流程圖，如圖6所示。

圖6 電流監控電路自動增益控制流程圖

電流監控程序主要包括MCU初始化、ADC中斷服務子程序、增益控制子程序。系統上電復位后，MCU預設初始增益，啟動A/D轉換，實時采集RMS?DC轉換器輸出的取樣電壓有效值。當輸出電流大于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，以達到減小輸出電流的目的，使得功放回到正常工作狀態，返回繼續檢測。工作過程中，再出現過流時，則繼續下調增益，使得發射電流再次回到正常值，如此循環。為保證測量的準確性，A/D對輸入信號一次采樣32個點，求取平均值作為最終判斷結果。

4 PCB電磁兼容設計

系統印制電路板（PCB）設計[10]，對于電路的性能至關重要。由于電流監控電路為弱信號電路，功放為強信號電路，為防止相互干擾，設計成2塊電路板，在外部以導線相連。另外，為了保證整個系統的低功耗與高效率，監控電路所需的正負電源采用了高效開關電源。而開關電源的缺點是高頻紋波較大，如果不做特殊處理，高頻紋波會和輸入信號一起被放大，對功放造成嚴重干擾。因此，首先本系統的地線設計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，電流監控電路敷銅地層分割為模擬地、數字地、開關電源地，同樣在電源入口處以0 Ω電阻連接。實際測試，系統各個電路模塊工作正常，性能良好。

5 結 語

設計并實現了一種煤礦井下電磁隨鉆測量系統D類功率放大電路。該電路采用D類放大技術實現了功率的高效放大，大大減少了功耗，解決了傳統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控電路，保證了功率的穩定可靠輸出。該電路滿足電磁隨鉆測量系統發射電路在供電有限的特殊環境下實現高效率功率輸出的實際要求。

參考文獻

[1] 龍文迪，管國云，聶在平，等.三維感應測井儀D類諧振功率放大器設計[J].測井技術，2014，38（4）：466?468.

[2] 趙娜，管國云，聶在平，等.低功耗三分量感應測井儀發射電路設計[J].大慶石油學院學報，2011，35（1）：81?84.

[3] 陳靜，劉勇.EM?MWD系統無線傳輸技術探討[J].電子測量技術，2009，32（10）：4?7.

[4] 韓峰，譚笑，趙志遠.H橋結構的D類開關功率放大器負載特性分析[J].軍事通信技術，2013，34（2）：88?92.

[5] 王妍，劉帥威，金麗潔.基于D類放大的高效率音頻功率放大器設計[J].電子設計工程，2011，19（11）：152?155.

[6] 龔偉，周雒維.D類音頻功率放大器控制方式綜述[J].重慶大學學報（自然科學版），2003，26（2）：117?122.

[7] 李偉英.D類音頻功率放大器的研究與實現[J].現代電子技術，2008，31（5）：152?154.

[8] 周平.低失真正弦波逆變電源設計[J].現代電子技術，2007，30（10）：177?179.

[9] 盧春華，雷曉嵐，于小龍，等. Φ175 mm電磁隨鉆測量系統的研制及試驗研究[J].探礦工程：巖土鉆掘工程，2013（12）：63?67.

[10] 曾文斌.隨鉆電阻率測井中頻綜與收發系統電路的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2012.