胡永建,孫 琦,胡奕然

(1.中國石油集團工程技術(shù)研究院北京石油機械有限公司，北京 102206；2.北京市八一學(xué)校，北京 100080)

0 引言

在石油鉆井時，需要為處于井下高溫環(huán)境的儀器設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠的電源。高溫鋰電池是熱電池向中低溫度范圍的拓展和延伸，在地?zé)峒熬绿綔y等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1]。與可充電式鋰電池相比，一次性鋰電池具有單體電池電壓高、能量高、存儲壽命長、工作溫度范圍寬等優(yōu)點[2]。

單體鋰電池的標(biāo)稱電壓為3.6 V，開路電壓可高達3.7 V，而截止電壓可低至2 V。為了提供穩(wěn)定的直流輸出電壓，需要直流-直流(direct current/direct current,DC/DC)轉(zhuǎn)換器完成穩(wěn)壓工作。對于寬輸入電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器，開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率高于低壓差穩(wěn)壓器(low dropout regulator,LDO)，降壓型開關(guān)電源通過脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓，應(yīng)用范圍廣泛[3]。

傳統(tǒng)的開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計依賴于人工計算、樣機制作和調(diào)試，工作量大、難度高。美國德州儀器(Texas instrument,TI)新版在線電源設(shè)計工具WEBENCH Power Designer能夠針對不同供電需求快速完成選型、定制、仿真及輸出等工作。本文基于該工具設(shè)計的井下高溫電源，輸出電壓為24 V，最大輸出電流為0.5 A，能夠耐受125 ℃高溫，支持多達17節(jié)高溫鋰電池串聯(lián)供電，轉(zhuǎn)換效率高，具備軟啟動等多種保護功能，可以滿足多數(shù)井下儀器的供電需要。

1 工作原理

井下高溫電源的工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle

一次性高溫鋰電池需經(jīng)受濫用試驗的考驗：對于外部短路、強制充電、強制放電等濫用情況，鋰電池不能爆炸及起火。為了確保安全使用并增加電池容量，鋰電池組將同類型的多個單體電池串聯(lián)后，再通過二極管并聯(lián)為降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器供電。二極管的存在可以避免強制充電。DC/DC轉(zhuǎn)換器的降壓輸出為外部設(shè)備供電。與LDO相比，降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓必須比輸出電壓更高。對于24 V輸出，輸入電壓一般不能低于27 V。圖2給出了A、B兩種電池在70 ℃和20 ℃時不同放電電流下的容量曲線。

圖2 電池容量曲線Fig.2 Curves of battery capacity

由圖2可知，一次性高溫鋰電池的容量與工作溫度和放電電流相關(guān)。電池的放電電壓與剩余容量、工作溫度、放電電流相關(guān)，降低放電截止電壓可以提高電池利用率。因此，需要針對寬范圍輸入電壓，對DC/DC轉(zhuǎn)換器進行優(yōu)化設(shè)計。

為了提高性能及可靠性，現(xiàn)代DC/DC轉(zhuǎn)換器已將PWM控制器集成在單一芯片內(nèi)。為了提高工作效率，有的芯片甚至集成了開關(guān)管。此類DC/DC轉(zhuǎn)換器具有復(fù)雜的功能和內(nèi)部邏輯，有使能(enable,EN)、電源正常(power good,PGOOD)等多種控制信號。如圖1所示，此類信號可以方便外部控制器實施控制：在不需要供電的時候通過EN信號關(guān)斷電源；通過PGOOD信號判斷供電是否正常等。

2 設(shè)計目標(biāo)

本文設(shè)計的高溫電源輸出電壓為24 V，最大輸出電流為0.5 A，可滿足定向、伽馬、電阻率等多數(shù)井下儀器的供電需求。具體設(shè)計目標(biāo)：額定輸出電壓24 V，額定輸出電流0.3 A，最大輸出電流0.5 A，最高環(huán)境溫度125 ℃，具有電源使能控制功能，帶電源正常指示，軟啟動保護時間5 ms，具備過熱、過流及欠電壓保護功能。

本設(shè)計所選一次性高溫鋰電池標(biāo)稱容量為28 A，最大持續(xù)放電電流為1.5 A，最高工作溫度為145 ℃，內(nèi)部帶有7 A的超快熔斷保險絲用于短路保護。不同數(shù)量的鋰電池串聯(lián)可以提供不同容量，滿足不同時長的供電需要。串聯(lián)電池節(jié)數(shù)越多，供電時長配置越靈活(還可通過電池組的并聯(lián)增加容量)；電池放電截止電壓越低，越能夠提高鋰電池的利用率(一次性高溫鋰電池價格昂貴)。TI的DC/DC轉(zhuǎn)換器芯片的最大輸入電壓已經(jīng)能夠達到100 V，如LM5116、LM5164等。

3 DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計

TI在2011年收購了美國國家半導(dǎo)體公司后，擴充了電源管理產(chǎn)品線，可提供2 000余種DC/DC轉(zhuǎn)換器的芯片及模組，同時提供免費的WEBENCH Power Designer在線電源設(shè)計工具。

WEBENCH Power Designer已有近二十年的發(fā)展歷史。利用該軟件能創(chuàng)建穩(wěn)壓器的原型，使設(shè)計者不經(jīng)過樣機制作就能解決在設(shè)計穩(wěn)壓電源中可能遇到的技術(shù)問題[4]。新版WEBENCH Power Designer摒棄了之前復(fù)雜的基于按鈕的操作流程，能大幅降低學(xué)習(xí)門檻，并縮短設(shè)計時間。新設(shè)計流程以選型操作為基礎(chǔ)，經(jīng)過定制、仿真及導(dǎo)出三步操作，就可以生成設(shè)計報告。新版在線設(shè)計工具支持多種優(yōu)化設(shè)計，如最大效率、最小尺寸、最低價格等方案；對于多種設(shè)計方案，還提供了不同的篩選器來篩選具體方案。篩選器包括穩(wěn)壓器類型、控制模式、芯片特性等。篩選結(jié)果以方案卡片或列表的方式列出。用戶可以根據(jù)篩選結(jié)果列出的元器件尺寸、數(shù)量及成本等，比較各方案優(yōu)劣。

3.1 選型

基于WEBENCH的電源設(shè)計從器件選型操作開始。啟動在線設(shè)計工具，選擇DC/DC電源開始設(shè)計。輸入設(shè)計參數(shù)(輸入電壓為27～65 V、輸出電壓為24 V、最大輸出電流為0.5 A、額定輸出電流為0.3 A、環(huán)境溫度為125 ℃、軟啟動時間為5 ms、按照最大效率優(yōu)化方案)，系統(tǒng)可自動篩選出滿足條件的設(shè)計方案。如果方案不止一個，在選型頁面還可以通過篩選器作進一步選擇。

滿足當(dāng)前設(shè)計目標(biāo)的方案只有一項，即LM5166器件組成的開關(guān)電源。這與通過TI產(chǎn)品清單所帶的篩選器得出的結(jié)果一致，也可以通過輸入器件型號直接開始設(shè)計。TI LM5166是具有超低待機電流的同步型降壓轉(zhuǎn)換器，采用易散熱的10腳塑料小外形無引線封裝。其最大輸入電壓為65 V，最高結(jié)溫為150 ℃，可選恒定導(dǎo)通時間(constant on-time,COT)或脈沖頻率調(diào)制(pulse frequency modulation,PFM)控制模式。前者開關(guān)頻率不變、轉(zhuǎn)換效率高，后者能夠提高輕負載時的效率。在COT模式工作時，65 V輸入電壓，5 V@0.3 A輸出時的轉(zhuǎn)換效率依然高達86%。LM5166具有滿足設(shè)計目標(biāo)的功能及各類保護，可以提高井下作業(yè)的可靠性。

完成選型后即可進入定制步驟。WEBENCH Power Designer的定制界面提供了原理圖、印刷電路板(printed circuit board,PCB)布局布線及物料清單(bill of material,BOM)，同時提供了計算得到的電路運行值和能夠反映設(shè)計特征的運行值曲線圖。

3.2 定制

3.2.1 原理圖相關(guān)內(nèi)容

設(shè)計方案原理如圖3所示。

圖3 設(shè)計方案原理圖Fig.3 Schematic diagram of design scheme

從原理圖中可以看到:引腳5電阻(resistor,RT)選擇通過Rt電阻接地。此時選擇COT模式。如果直接接地，則選擇PFM模式。

引腳4軟啟動(soft start,SS)的Css電容定義了軟啟動時間tss，由式(1)計算。

Css=8.1×tss

(1)

式中：Css為軟啟動電容,nF；tss為軟啟動時間,ms。

當(dāng)Css為47 nF時，軟啟動時間約為5.8 ms，滿足設(shè)計參數(shù)的需求。

在COT模式下，引腳3電流限制(current limit,ILIM)接地時最大輸出電流為500 mA。

引腳8反饋(feedback,FB)輸入的反饋電壓通過Rfbt與Rfbb組成的分壓網(wǎng)絡(luò)提供。它們與輸出電壓的關(guān)系由式(2)確定。

(2)

式中：Rfbb為底部的分壓電阻，固定為124 kΩ；Rfbt為頂部的分壓電阻。

當(dāng)Rfbt為2.32 MΩ時，輸出電壓UOUT為24.1 V，滿足設(shè)計要求。

濾波電感L1與流經(jīng)電感的紋波電流相關(guān)，輸出電容和轉(zhuǎn)換器輸出的紋波電壓相關(guān)。由于本井下高溫電源對紋波電壓要求不高，因此得到的方案中沒有輸出電容，且采用了類型1(最低成本)的由Resr和COUT組成的紋波網(wǎng)絡(luò)。其他類型的紋波網(wǎng)絡(luò)可以得到更小的輸出紋波電壓。

值得注意的是，原理圖上同時標(biāo)出了與轉(zhuǎn)換效率相關(guān)的電容等效串聯(lián)電阻(equivalent series resistance,ESR)和電感直流電阻(direct current resistor,DCR)。一般來說，電容ESR越低(高Q值)損耗越低、價格越高；電感DCR越小損耗越低、尺寸越大。該標(biāo)注方便了效率、成本及尺寸之間的相互平衡。

PCB布局與電源完整性設(shè)計密切相關(guān)[5]。本文PCB采用四層板設(shè)計。PCB布局如圖4所示。

圖4 PCB布局圖Fig.4 PCB layout diagram

由圖4可以看到，PCB大量使用了大面積敷銅，保證了良好接地和功率輸出，與該芯片手冊給出的建議一致。

最后，可以查看物料清單。BOM中的每一種器件都給出了廠家及具體型號，同時給出了報價和封裝尺寸，還可以下載器件手冊。此外，設(shè)計工具提供了一系列替代器件，用戶可以根據(jù)供貨等情況加以選擇，選擇完成后重新計算，以評估結(jié)果。

計算結(jié)果以運行值及曲線圖的方式顯示。

3.2.2 運行值及曲線圖

運行值包括輸出電壓、占空比、開關(guān)頻率、轉(zhuǎn)換效率等多項系統(tǒng)參數(shù)，以及芯片、電容、電感及功率方面的多項參數(shù)，用于與設(shè)計目標(biāo)進行比較。

以開關(guān)頻率為例，RT引腳連接的電阻Rt不僅用來選擇COT模式，也確定了開關(guān)頻率。

(3)

式中：Rt為RT引腳的模式選擇電阻，kΩ;UOUT為24 V輸出電壓，V;FSW為開關(guān)頻率，kHz。

當(dāng)Rt為1.4 MΩ時，F(xiàn)SW約為97.95 kHz。該結(jié)果與設(shè)計工具計算得到的運行值97.96 kHz一致。

以轉(zhuǎn)換效率為例，圖5給出了轉(zhuǎn)換效率與輸出電流的關(guān)系。

圖5 轉(zhuǎn)換效率與輸出電流關(guān)系圖Fig.5 The relationship between conversion efficiency and output current

從圖5中可見，對于27～65 V的寬范圍輸入電壓，在大于50 mA的輸出電流情況下，該方案始終具有高于94%的轉(zhuǎn)換效率。由于WEBENCH Power Designer可以根據(jù)方案的優(yōu)化傾向，從低成本、高效率、小尺寸及綜合平衡等方面進行優(yōu)化。在定制頁面，既可以更改優(yōu)化傾向，又可以更改軟啟動時間等配置選項重新計算。為了進一步評估計算結(jié)果，設(shè)計工具提供了多種仿真手段。

3.3 仿真

在上一版本的設(shè)計工具中，不僅包含了基于通用模擬電路仿真(simulation program with integrated circuit emphasis,SPICE)的直流及瞬態(tài)電仿真工具，還包含了基于TI WebTHERM專有技術(shù)的熱仿真工具。但新的測試版尚未包含熱仿真。新測試版包含啟動、負載瞬態(tài)、輸入瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)等4種電仿真，仿真的條件參數(shù)直接顯示在原理圖中，仿真結(jié)果顯示在波形圖中。圖6給出了啟動仿真結(jié)果。

圖6 啟動仿真結(jié)果Fig.6 Simulation of start-up

設(shè)定的輸入電壓在0.02 ms內(nèi)從0 V躍升到46 V。從圖6可見，輸出電壓在經(jīng)歷微小的起伏震蕩后一路線性上升到24 V，上升時間約為5 ms。這種軟啟動有利于保護負載。如果需要進行熱仿真，目前還要使用上一版的設(shè)計工具。

3.4 導(dǎo)出

所有數(shù)據(jù)(包括原理圖、PCB設(shè)計圖、BOM、計算及仿真數(shù)據(jù))都可以導(dǎo)出，用于測試調(diào)試、生產(chǎn)制造及器件采購。其中：原理圖、PCB及仿真數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出為Alitium Designer、Candence OrCAD等格式，通過Ultra Librarian軟件得到器件的庫文件。仿真數(shù)據(jù)也可以導(dǎo)出為TINA-TI的電路圖，用作進一步仿真分析。TINA-TI軟件是TI與DesignSoft共同開發(fā)的、基于SPICE技術(shù)的電路仿真軟件。

4 系統(tǒng)設(shè)計

使用WEBENCH Power Designer完成DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計后就可以進行系統(tǒng)設(shè)計。圖7給出了系統(tǒng)電路圖。

圖7中：引出了控制信號;EN輸入信號只需大于1.22 V,即可啟動轉(zhuǎn)換器;PGOOD引腳在芯片內(nèi)部是開漏輸出，需要通過電阻上拉到接口電壓UIO，與外部控制器接口電平相匹配。

圖7 系統(tǒng)電路圖Fig.7 System circuit diagram

對于27～65 V輸入電壓，允許接入的鋰電池數(shù)量最多為17節(jié)。假設(shè)鋰電池放電截止電壓為2 V，允許接入的最低數(shù)量為14節(jié)?？梢酝ㄟ^將串聯(lián)的電池組接入二極管并聯(lián)來增加電池容量，延長供電時間。常規(guī)整流二極管有較大導(dǎo)通壓降，會浪費寶貴的電池電能。這里采用了TI的理想二極管SM74611，其2 A@125 ℃時的平均正向電壓不到50 mV。

5 試驗驗證

在鉆井過程中，隨著井深增加地層溫度不斷上升，平均地溫梯度為3 ℃/100 m。垂直井深3 000 m時，地層溫度約為125 ℃。由于鉆井液的循環(huán)冷卻作用，實際可用垂深要更深一些。溫度特性是井下高溫電源的重要特性。

圖8 不同溫度下的輸出電壓Fig.8 Output voltage at different temperatures

為了測試不同溫度下井下高溫電源的輸出電壓，使用AMETEK JOFRA RTC-250B標(biāo)準(zhǔn)干體爐提供溫度環(huán)境。該設(shè)備最高設(shè)定溫度可達250 ℃，使用雙區(qū)控溫，溫場范圍大、穩(wěn)定性高。與常規(guī)控溫箱和溫度槽相比，干體爐升降溫速度更快。輸入電源為KeySight N5771A直流電源，最高輸出電壓300 V，電流5 A。負載為KeySight N3300A直流電子負載，配N3303A 250W電子負載模塊，使用恒定電阻模式。另外，使用KeySight 34411A 6 1/2位數(shù)字多用表輔助測量。

圖8給出了不同溫度下該高溫電源的輸出電壓。此時，負載電阻設(shè)定為80 Ω，高溫電源額定輸出電流約為0.3 A。

隨著環(huán)境溫度上升，輸出電壓變化幅度不大，僅在120 ℃時出現(xiàn)了較大跌落。其原因在于芯片結(jié)溫升高。該結(jié)果滿足井下儀器的供電需求。中石油工程技術(shù)研究院研制的高頻磁耦合有纜鉆桿系統(tǒng)使用了同類型井下高溫電源。經(jīng)歷大慶油田、吉林油田的多次現(xiàn)場試驗，高溫電源工作正常。

6 結(jié)論

電源設(shè)計歷來是耗時多、難度大、成本高的一項工作。隨著新型集成電路的不斷推出，設(shè)計工作已經(jīng)大為簡化。但由于電源設(shè)計的復(fù)雜性，如開關(guān)電源就有降壓、升壓、半橋、全橋等多種拓撲方式，優(yōu)化因素包含輸入電壓范圍等設(shè)計參數(shù)，加上對轉(zhuǎn)換效率、尺寸、成本的優(yōu)化及權(quán)衡，設(shè)計依然復(fù)雜。本井下高溫電源使用WEBENCH Power Designer在線電源設(shè)計工具，簡化了DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計工作，達到了設(shè)計目標(biāo)。