連云港杰瑞自動化有限公司　阮　強(qiáng)

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隨鉆儀器的電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

連云港杰瑞自動化有限公司阮強(qiáng)

為保障隨鉆測井儀器能夠在高溫、高壓等復(fù)雜環(huán)境下安全、長時間工作，需要高效，穩(wěn)定的電源系統(tǒng)。本系統(tǒng)根據(jù)電池性能，隨鉆儀器的供電特點(diǎn)設(shè)計(jì)了電源控制電路，電源保護(hù)電路，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率高、抗干擾能力強(qiáng)，能夠滿足隨鉆測井儀的工作要求。

隨鉆測井儀；電源；高效

引言

隨鉆測井的測量功能基本上涵蓋了有線測井儀器的絕大部分功能，有替代常規(guī)完井的趨勢，是以后測井發(fā)展的方向。國內(nèi)隨鉆測井儀器現(xiàn)在供電方式主要為電池供電，而電池就受到工作時間，功耗，電源轉(zhuǎn)換效率等制約，還必須考慮儀器的長度選擇合理的電池容量，這就使其中的電源控制系統(tǒng)成為儀器中非常重要的部分，這部分的可靠性和穩(wěn)定性直接影響到整套儀器的性能。

1　電源控制簡述

在實(shí)際應(yīng)用中，電池往往都是以串聯(lián)的方式連接，其優(yōu)點(diǎn)是可以保證儀器需求的電壓 ，但是缺點(diǎn)也是很明顯的，電池串聯(lián)時，內(nèi)阻相互迭加，形成內(nèi)阻損耗，容量下降，而且串聯(lián)充電的話，要是有一個電池性能差一點(diǎn)，整個電池組的性能就會一起變差，所以我們需要在內(nèi)阻損耗和DC-DC轉(zhuǎn)化損耗中選擇一個最佳的平衡點(diǎn)，即損耗最小的搭配。經(jīng)過試驗(yàn)，我們選擇了并聯(lián)為主，串聯(lián)盡量少的低電壓方式。

在電源的傳輸部分，為減少傳輸損耗，結(jié)合儀器的信號傳輸方式，我們選擇了24V電壓。電源的傳輸方式如圖1。當(dāng)24V電池接入測井儀電源后，經(jīng)電池開關(guān)一路進(jìn)入降壓芯片組，降壓產(chǎn)生電路所需的各種直流電壓，首先供電源控制模塊電路使用；一路進(jìn)入24V轉(zhuǎn)±24V模塊，等待轉(zhuǎn)換。單片機(jī)接受到降壓芯片組提供的電壓后，上電，單片機(jī)啟動。

單片機(jī)啟動后，首先對各電源及已經(jīng)產(chǎn)生的各電壓進(jìn)行巡檢，巡檢到的電壓有：電池輸入電壓，降壓芯片組產(chǎn)生的各種電路所需電壓。巡檢正常后，單片機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待主機(jī)供電命令。

啟動供電電路后，一端向已加電的儀器供電，另一端判斷是否有儀器與之相連，如果檢測到有儀器連接，則向其輸出±24V電壓。在測井的過程中有部分儀器并不需要一直工作，所以可以根據(jù)主機(jī)的命令停止這些儀器的供電，延長電池的使用時間。

圖1　

2　電源DC/DC轉(zhuǎn)換

電源模塊可以按照功能分為以下幾個子模塊：電源模塊設(shè)計(jì)，電池開關(guān)設(shè)計(jì)，過壓過流保護(hù)設(shè)計(jì)，探測下一級儀器設(shè)計(jì)。

2.1電源模塊設(shè)計(jì)

儀器工作作需要5V，±12V電源，部分FPGA和單片機(jī)需求更多的1.2V、1.5V、3.3V供電電源。

精密電源電路引入電源輸入，數(shù)字地和負(fù)電壓變換的時鐘信號，經(jīng)過一系列電壓變換和穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，得到電路工作所需的+3.3V、+2.5V、-2.5V、+1.8V、+1.2V電源，并且分出數(shù)字地GND和模擬地AGND。主要包括LTC1844、LT1964、REG101等電源芯片。

LTC1844是一款150mA、微功率、低噪聲、VLDO線性穩(wěn)壓器。它具有一個1.6V至6.5V的寬輸入電壓范圍?？蛇M(jìn)行非常低壓差操作（30mV/50mA和90mV/150mA）。電源電流僅為35μA，即使在壓降條件下也不例外。10Hz～100kHz頻率范圍內(nèi)的噪聲僅為30μVrms，并在整個溫度、電壓和電流范圍內(nèi)具有1.75% 的電壓準(zhǔn)確度。

LT1964是一款體積較小，噪聲較低的負(fù)電壓芯片。這款芯片主要是面向需要規(guī)則的負(fù)電壓，同時對體積、噪聲干擾要求非常嚴(yán)格的器件，例如手提式醫(yī)療設(shè)備、測試儀器等等。 LT1964芯片的輸入電壓范圍可以從-1.8V到-20V，芯片的輸出可以是穩(wěn)定的-5V，也可以通過調(diào)整，輸出范圍可以從-1.22V到-20V，芯片的最大輸出電流為200mA，損耗的電壓降為300mA。在工作時，芯片的靜態(tài)電流為30μA，關(guān)斷的狀態(tài)下，芯片的靜態(tài)電流為3μA。在10Hz到100kHz的頻率范圍內(nèi)，LT1964芯片的噪聲低于30μVRMS，滿足了對噪聲敏感器件的要求。

REG101為TI公司利用其獨(dú)有的DMOS技術(shù)，在一個SOT23元件封裝中，提供無電容的工作模式以及最小的輸入/輸出電壓降，即輸入/輸出之間的電壓差很小仍可正常工作；其中REG101在100mA下的輸入/輸出最小電壓差為60mV。由于這個元件的最低工作電壓可達(dá)到1.8V，因此對使用電池的應(yīng)用產(chǎn)品來說，可延長電池的供電時間。

圖2　

2.2電池開關(guān)設(shè)計(jì)

電池開關(guān)的作用是控制電池的輸入。電池開關(guān)一般是常開狀態(tài)，電池接入后，電能經(jīng)電池開關(guān)進(jìn)入儀器電源控制系統(tǒng)。當(dāng)需要切斷某一路電池時，由單片機(jī)發(fā)出指令，電池開關(guān)執(zhí)行動作，切斷電池。

電池開關(guān)主要由兩個MOS管組成。具體設(shè)計(jì)為，電池的負(fù)極通過MOS管FDS8928與地相連。MOS管TN2460，S極接地，D極接MOS管FDS8928中N通道的G極，G極接控制?？刂茣r，給G極高電平，D極和S極導(dǎo)通，也就是說，F(xiàn)DS8928中N通道的G極接地，對于FDS8928的N通道，當(dāng)G極接地時，D極與S極斷開。即電池的負(fù)極與地?cái)嚅_，電池被切斷。

2.3過壓過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

電源中需要測控的信號有：電池的輸入電壓+12V；輸出電壓± 24V；max1775降壓芯片組產(chǎn)生的5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V；以及以上電壓產(chǎn)生的相關(guān)電流。

以上電壓中輸入電壓+12V、max1775降壓芯片組產(chǎn)生的各電壓以及它們相應(yīng)電流經(jīng)流壓轉(zhuǎn)換后的電壓，通過多路復(fù)用器ADG708BRU，經(jīng)單片機(jī)逐路選通后進(jìn)入單片機(jī)帶有A/D轉(zhuǎn)換的輸入端，輸出電壓±24V經(jīng)分壓后直接接入單片機(jī)帶有A/D轉(zhuǎn)換的輸入端，各電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，與預(yù)設(shè)值比較。電路圖中的集成運(yùn)放LM7301芯片及其周邊電阻把轉(zhuǎn)換來的電源信號進(jìn)行加和，這個加和信號將送給硬件電路作為精密電源的電壓監(jiān)視信號

電池短接一般有兩組高溫鋰電池，當(dāng)其中一組電池電壓超過預(yù)設(shè)范圍時，單片機(jī)控制進(jìn)行電池切換。首先打開另一路電池開關(guān)，然后向該路電池開關(guān)的控制端發(fā)出高電平，切斷其供電。

當(dāng)電源中突然有大電流出現(xiàn)時，交叉站電源中的保險(xiǎn)絲直接熔斷，電路被切斷。

3　結(jié)論

電源系統(tǒng)在175 °C的高溫環(huán)境下，經(jīng)過兩個小時以上的持續(xù)工作測試，各項(xiàng)電壓電流指標(biāo)都能滿足儀器的工作要求，能夠在高溫環(huán)境下為隨鉆測井儀器提供高可靠性，長時間的供電保障。

［1］路秋生.開關(guān)電源技術(shù)和典型引用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009，3.

［2］趙修科.實(shí)用電源技術(shù)手冊磁性元件分冊［M］.遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002，8.

［3］唐志芳.系統(tǒng)級動態(tài)電源管理算法的研究［J］.計(jì)算機(jī)工程和應(yīng)用，2005，6.