新型穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計及其在物探測井設(shè)備中的應(yīng)用

陳仁才1，陽林鋒2

(1.重慶地質(zhì)儀器廠，重慶400033； 2.中國核動力研究設(shè)計院，成都610041)

摘要：本文主要介紹寬范圍高電壓輸入、低壓差高電壓輸出的可調(diào)穩(wěn)壓電源模塊(以下簡稱輸出可調(diào)電源模塊)和高轉(zhuǎn)換效率的低壓電源模塊(以下簡稱電源轉(zhuǎn)換模塊)的設(shè)計特點、主要技術(shù)指標及其在物探測井設(shè)備中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:物探；測井；穩(wěn)壓電源；應(yīng)用

中圖分類號:P631.83

收稿日期：2014-10-10

作者簡介：陳仁才，男，1987年畢業(yè)于成都地質(zhì)學(xué)院三系放射性物探專業(yè)，高級電子工程師，長期從事放射性物探儀器、大功率激電儀發(fā)送機、綜合地球物理測井井下探管等的設(shè)計及方法研究工作，參與并負責(zé)多項國家重大項目中井下測井探管的設(shè)計，Tel：13101362800，E-mail: cqcrc@163.com；陽林鋒，男，2009年畢業(yè)于成都理工大學(xué)核工程與核技術(shù)專業(yè)，主要從事物探儀器(測井儀器、地學(xué)核儀器)調(diào)試及研發(fā)設(shè)計工作。

1概述

儀器、儀表設(shè)計中低電壓輸出電源設(shè)計是其重要組成部分之一。常用的低電壓電源有：+3V、+5V、+12V、+15V、-5V、-12V、-15V等種類。但因輸入電壓的不穩(wěn)定造成設(shè)備不能正常工作或損壞現(xiàn)象時有發(fā)生，特別是物探測井的井下設(shè)備，其所需電源由地面主機通過幾千米的電纜后提供，由于井下電纜、電路的感性負載、容性負載等影響，常常造成井下儀器不能正常工作[1-3]。本人根據(jù)不同儀器儀表對電源的不同，將電源設(shè)計為二部分：①輸出可調(diào)電源模塊；②電源轉(zhuǎn)換模塊。將這二種電源模塊組合應(yīng)用于相關(guān)測井設(shè)備，可以解決以上問題。

2設(shè)計思路

2.1　輸出可調(diào)電源模塊設(shè)計

輸出可調(diào)電源模塊設(shè)計示意圖如圖1，為擴大該模塊的使用范圍，將圖中“直流穩(wěn)壓”部分設(shè)計為可調(diào)[4]。當直流輸入電壓達到特定要求電壓時便可得到穩(wěn)定的直流電壓輸出。

圖1　輸出可調(diào)電源模塊設(shè)計示意圖

2.2　電源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

電源轉(zhuǎn)換模塊采用開關(guān)穩(wěn)壓集成電路芯片，另加少量外圍器件構(gòu)成。

3電源模塊特點及技術(shù)指標

3.1　輸出可調(diào)電源模塊特點及技術(shù)指標

輸出可調(diào)電源模塊具有：輸入電壓范圍寬、輸入輸出電壓壓差小、輸出電壓可調(diào)且紋波小、溫漂小、體積小(22mm×36mm×14mm)、重量輕、使用方便等特點。主要技術(shù)指標為：

·輸入電壓：Vi≤200V

·輸出電壓：Vo≤180V，可調(diào)

·輸出電流：Io≤3A(當Io較大，Vi、Vo相差也較大時模塊應(yīng)加裝散熱片)

·輸出紋波：Vo≤100mV

·使用環(huán)境溫度：-45～125℃

·溫漂：≤0.5‰

·模塊具有輸出過壓、過流保護

3.2　電源轉(zhuǎn)換模塊特點及技術(shù)指標

電源轉(zhuǎn)換模塊具有：輸入電壓范圍寬、輸出電壓種類多且紋波小、溫漂小、輸入輸出電壓壓差小、電源轉(zhuǎn)換效率高(≥80%)、體積小(20mm×7mm×15mm)、重量輕、使用方便等特點。主要技術(shù)指標為：

·輸入電壓：Vi≤60V

·輸出電壓Vo：+5V、+12V、+24V、-5V、-12V、±12V、±15V等不同電壓組合的多種規(guī)格[5]

·輸出電流：正向Io≤2A，負向Io≤0.5A

·輸出紋波：Vo≤20 mV

·使用環(huán)境溫度：-45℃～125℃

·溫漂：≤0.5‰

·模塊8h工作輸出電壓穩(wěn)定性誤差≤1‰(Io=0.1A測試)

4電源模塊試驗

4.1　輸出可調(diào)電源模塊帶負載能力試驗

輸出可調(diào)電源模塊輸出+48V電壓時，不同負載下的最小輸入電壓見表1。

表1

輸出電流Io/A0.10.20.30.40.50.7最小輸入電壓Vi/V50.951.852.6853.554.355.1

表1顯示：①在輸出電壓Vo=48.0V，輸出電流Io=0.1A時，Vi、Vo間的最小壓差=2.9V；②隨著負載電流Io增大，要保持輸出電壓Vo穩(wěn)定，需要增大輸入電壓Vi；③當(Vi—Vo)×Io≥6W時，應(yīng)注意電源模塊的散熱。

試驗發(fā)現(xiàn)：輸出可調(diào)電源模塊在一定的負載電流下欲保持輸出電壓Vo穩(wěn)定，應(yīng)適當提高輸入電壓Vi；對不同的Io，即使Vi-Vo不到最小壓差，Vo也有輸出，只是Vo稍低于輸入電壓Vi。

4.2　輸出可調(diào)電源模塊受溫度影響試驗

輸出可調(diào)電源模塊輸出電壓受溫度變化情況見表2。

表2

溫度/℃25406080100110輸出電壓Vo/V47.9447.9247.8947.8747.8347.79

注：Vi=+53V、Io=200mA。

表2顯示：輸出可調(diào)電源模塊在溫度從25℃增加到110℃，模塊輸出電壓變化≤0.5‰。

4.3　+24V電源轉(zhuǎn)換模塊在不同輸入電壓下變化試驗

+24V模塊輸出電壓隨輸入電壓變化情況見表3。

表3

輸入電壓Vi/V15.0024.0024.7530405059輸出電壓Vo/V14.4623.3123.99524.00424.00423.99623.996

注：負載電阻400Ω

表3顯示：輸出電壓帶400Ω負載時，當輸入輸出間的壓差≥0.75V便可保證因輸入電壓變化引起輸出電壓變化≤1.0‰ 。

試驗發(fā)現(xiàn)：①隨著負載電流的增大，為保持穩(wěn)定的電壓輸出，需要適當提高輸入電壓；②+24V電源模塊在輸出負載電流≥0.6A時應(yīng)注意模塊散熱。

5電源模塊在測井探管中的應(yīng)用

目前市場上有多種型號的測井主機，主機通過絞車電纜向井中探管提供50～110V電壓(可調(diào))；市場上所使用的絞車其電纜長度一般有300m、1100m、1500m、2000m及3000m等多種規(guī)格；同一絞車經(jīng)使用后電纜長度有時也會發(fā)生變化。針對以上因素就要求測井探管能適應(yīng)高電壓、寬電壓變化的輸入電源模塊[6]。

5.1　電源模塊在居中補償密度、貼壁補償密度、井溫流體、測斜、聲速聲幅等探管中的應(yīng)用

居中補償密度、貼壁補償密度、井溫流體、測斜、聲速聲幅等探管從前一般采用常規(guī)的電源電路，探管工作直流電流一般在100～240mA之間，這樣同一探管對不同測井主機或絞車，探管電壓需要調(diào)試。現(xiàn)將它們改為“56V直流輸出的寬電壓輸入大功率穩(wěn)壓電源模塊+低壓電源模塊”來作其電源電路，這樣上述探管工作電流將降到50～80mA之間，從而同一探管對不同測井主機或絞車(即使絞車電纜長度3000m)，其工作電壓就不需要調(diào)試，且探管工作更穩(wěn)定。

5.2　電源模塊在ZH1、ZH2組合探管中的應(yīng)用

ZH1探管主要為自然γ、測斜、井溫、聲速、聲幅等測量參數(shù)的組合，ZH2探管主要為自然γ、測斜、井溫、聚焦電阻率、流體電阻率等測量參數(shù)的組合。它們的特點是探管一次下井測量參數(shù)多，測井提升/下降速度快，但工作電流大(工作電流在450mA左右)，這樣在探管中采用一般電源電路其測井深度就受到一定限制，為此需要采用電源模塊[7]。普通電源模塊與組合電源模塊在上述探管中使用時的性能對比見表。

從表4可見：探管采用常規(guī)電源即使絞車電纜1000m，測井主機90V供電，需要將絞車電纜的2根纜芯并接作井下探管供電的電源正，探管才能正常工作；當探管采用組合電源模塊，即使絞車電纜1500m，測井主機90V供電，絞車電纜用單芯作井下探管供電的電源正，探管也能正常工作。

表4

探管型號ZH1組合探管ZH2組合探管常規(guī)電源探管工作電壓Vi、電流Ii26.5V450m26.5V400m地面90V供電探管測深800m,最大可測1200m。當絞車電纜變化或測井主機電壓變化,易造成探管不工作。950m,最大可測1200m。當絞車電纜變化或測井主機電壓變化,易造成探管不工作。電源模塊探管供電電壓Vi、電流Ii若Vi>50V,Ii<130mA若Vi=40V,Ii<170mA若Vi>50V,Ii<125mA若Vi=40V,Ii<160mA地面90V供電探管測深1500m,最大可測2400m。當絞車電纜變化或測井主機電壓變化,對探管工作無影響。1600m,最大可測2500m。當絞車電纜變化或測井主機電壓變化,對探管工作無影響。

注：鎧裝電纜1000m，單芯電阻=85Ω左右

6結(jié)語

通過對電源模塊的設(shè)計優(yōu)化、實際應(yīng)用說明：在儀器、儀表設(shè)計中，對小于60V的直流寬輸入電壓采用低壓電源模塊，對大于60V的直流寬輸入電壓采用輸出可調(diào)電源模塊與低壓電源模塊的組合可以讓儀器儀表的電源電路設(shè)計簡單、電壓適應(yīng)范圍寬、電源轉(zhuǎn)換效率高，同時它產(chǎn)生的工作電壓穩(wěn)定、精度高、溫漂小、紋波也小。相信這兩種電源模塊的研制成功，將在儀器、儀表的設(shè)計、生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻：

[1]陽林鋒，庹先國，李懷良等.井中VSP供電系統(tǒng)啟動可靠性分析與設(shè)計[J].中國測試. 2014,40(1):141-144.

[2]廣州金升陽科技有限公司. 小型DC/DC開關(guān)電源容性負載的研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用. 2009,12(11):44-46.

[3]容焱，王其崗. 高可靠性DC-DC開關(guān)電源的浪涌電流抑制電流設(shè)計[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用. 2011,14(7):43-50.

[4]胡洪飛，徐海萍，專祥濤. 寬范圍輸入電壓電源設(shè)計[J]. 電測與儀表. 2011, 48(3):79-83.

[5]王 正、朱興動.UC3843控制多路輸出開關(guān)電源設(shè)計與實現(xiàn)[J].航空計算技術(shù). 2004,34(2):88-90.

[6]王立偉，劉孝祖，賁洪奇等.適合地下工作的寬范圍輸入直流穩(wěn)壓電源的研制[J].通信電源技術(shù). 2009,26(2):10-13.

[7]陳仁才，陽林鋒，陳紅. ZH1多參數(shù)組合探管的開發(fā)及應(yīng)用[J]. 地質(zhì)裝備. 2013,14(5):32-35.

The Module Design of New Regulated Power Supply and its Application in Logging Equipment

CHEN Rencai1& YANG Linfeng2

(1. Chongqing Geological Instrument Plant, Chongqing 400033;

2. China Nuclear Power Research and Design Institute, Chengdu 610042)

Abstract：In this paper, the authors mainly introduce the design features and main technical specifications of adjustable regulated power supply with high wide voltage input & low pressure differential high voltage output and low voltage power supply with high power conversion efficiency, as well as the application of their combination in geophysical logging.

Key Words：geophysical prospecting; logging; constant voltage power supply ;application