西安石油大學(xué)　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(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

西安石油大學(xué)郭文旭魏晴晴王瀟

【摘要】在導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中，井下導(dǎo)向工具需要由受鉆井液驅(qū)動(dòng)的渦輪電機(jī)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(huì)有一個(gè)較寬的變動(dòng)范圍，對(duì)應(yīng)地，井下直流電源也必須適應(yīng)輸入電壓的寬范圍變化要求，維持穩(wěn)定的電壓輸出。采用脈寬調(diào)制技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)小功率的直流穩(wěn)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(cè)、前饋控制運(yùn)算、脈寬調(diào)制控制、穩(wěn)壓濾波等部分所構(gòu)成，討論了電路原理，給出了詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)是可行的。

【關(guān)鍵詞】直流穩(wěn)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(cè)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(wěn)壓電源，同時(shí)穩(wěn)壓電源的輸入一般為井下渦輪電機(jī)。渦輪電機(jī)的電壓輸出取決于渦輪轉(zhuǎn)速，而井下水力渦輪的轉(zhuǎn)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(yīng)不同地質(zhì)和鉆井工藝的要求，因此，鉆井液流量會(huì)有一個(gè)很寬的變動(dòng)范圍，這就導(dǎo)致渦輪電機(jī)的電壓也會(huì)在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)變動(dòng)。為保證井下直流電源具有更高的適應(yīng)性，以滿足輸入電壓寬范圍變化的要求，設(shè)計(jì)選定直流穩(wěn)壓電源的交流輸入為12V-64V是合理的，設(shè)計(jì)這樣一個(gè)寬輸入的直流穩(wěn)壓電源是一件比較有價(jià)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(gè)二極管集成而成的整流橋進(jìn)行整流， 將變壓器次級(jí)交流電壓變換為單向脈動(dòng)的直流電壓。第二、濾波處理，將脈動(dòng)的直流電壓變換為平滑的直流電壓。第三、穩(wěn)壓部分，利用TL431、SG3525、CD4069以及MOSFET等器件組成的PMW開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路部分。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電路工作原理：對(duì)電壓為12V~64V的交流輸入，經(jīng)整流橋整流、濾波后由檢測(cè)電路采樣，得到輸入電壓的檢測(cè)信號(hào)，電壓信號(hào)送入控制運(yùn)算電路，經(jīng)過信號(hào)運(yùn)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(shí)相應(yīng)的輸出信號(hào)的占空比減小，對(duì)MOSFET進(jìn)行PWM開關(guān)控制；從而獲得低紋波的穩(wěn)壓輸出。

圖2　脈寬調(diào)制電路

2　電路方案設(shè)計(jì)

2.1信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

利用TL431進(jìn)行輸入電壓采樣，當(dāng)功率輸出端電壓小于12V時(shí)，用大電阻進(jìn)行分壓采樣2.5V電壓送到TL431的輸入端，TL431的輸出端就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較小的差動(dòng)電流作用在光耦元件之上，差值越小，產(chǎn)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(chǎn)生的電壓也就越低，簡(jiǎn)而言之就是，當(dāng)功率輸出端的電壓低于12V時(shí)，輸送到SG3525輸入端的電壓也就越小，反之，當(dāng)功率端電壓高于12V時(shí)，送到SG3525的反饋電壓也就越大，從而達(dá)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(jīng)SG3525處理將正弦波轉(zhuǎn)換成矩形波，可以調(diào)節(jié)輸入電壓的大小從而調(diào)節(jié)占空比的大小。這里二極管的作用是利用了其單向?qū)щ娦裕咕匦尾梢皂樌@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(zhǔn)源，具有很高的溫度穩(wěn)定性和較低的噪聲等級(jí)，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(zhǔn)。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(shí)還決定死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短，開關(guān)頻率同 RT和電容CT的關(guān)系如下：

RD為引腳6、7間跨接的電阻值。根據(jù)需要電路的頻率的10KHZ，所以我們應(yīng)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?yàn)镽D≤500Ω我們選擇RT=14K，RD=67歐。這樣我們?cè)O(shè)計(jì)出的功率為10KHZ。SG3525兩輸出引腳并聯(lián)輸出即可使產(chǎn)生的PWM信號(hào)占空比在0%~100%之間變化。

當(dāng)輸入的采樣電壓增大時(shí)，相對(duì)應(yīng)的SG3525輸出PWM波占空比也相應(yīng)增大。而在此我們要選擇合適的R5和R6，以及C2，脈寬調(diào)制電路如圖2所示。

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

2.3MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

MOSFET驅(qū)動(dòng)電路如如圖3所示。

圖3　MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

選擇12V的穩(wěn)壓管D3、D5和5.1K的電阻R16接地對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行過壓保護(hù)，這樣可以使得MOS管g-s端電壓不會(huì)超出12V。在此電路中R16主要是當(dāng)MOS管關(guān)斷或開路時(shí)進(jìn)行續(xù)流保護(hù)，為了防止當(dāng)經(jīng)過MOS管的電流過大時(shí)造成虛導(dǎo)通，而使SG3525擊穿。而R14和C4是場(chǎng)效應(yīng)管Q1的保護(hù)電路，當(dāng)MOS管兩端電壓增大時(shí)，R14和C4進(jìn)行放電，防止MOS本身的寄生電容和電感擊穿，從而保護(hù)MOS管。

3　總結(jié)

在輸入電壓12V~64VAC的輸入范圍內(nèi)，PWM控制信號(hào)在10.2%~91.3%之間變化，輸出電壓穩(wěn)定在DC12V±0.2V之間，輸出紋波滿足井下設(shè)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(guān)系實(shí)測(cè)表明，信號(hào)的測(cè)量和控制運(yùn)算電路設(shè)計(jì)可行。

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基金項(xiàng)目：陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2014107051032）。