隨鉆儀器的電源控制系統(tǒng)設計

連云港杰瑞自動化有限公司　阮　強

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隨鉆儀器的電源控制系統(tǒng)設計

連云港杰瑞自動化有限公司阮強

為保障隨鉆測井儀器能夠在高溫、高壓等復雜環(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設計了電源控制電路，電源保護電路，經(jīng)實驗證明，系統(tǒng)穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率高、抗干擾能力強，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

在實際應用中，電池往往都是以串聯(lián)的方式連接，其優(yōu)點是可以保證儀器需求的電壓 ，但是缺點也是很明顯的，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，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，即損耗最小的搭配。經(jīng)過試驗，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24V電池接入測井儀電源后，經(jīng)電池開關一路進入降壓芯片組，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；一路進入24V轉(zhuǎn)±24V模塊，等待轉(zhuǎn)換。單片機接受到降壓芯片組提供的電壓后，上電，單片機啟動。

單片機啟動后，首先對各電源及已經(jīng)產(chǎn)生的各電壓進行巡檢，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，單片機進入待機狀態(tài)，等待主機供電命令。

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：電源模塊設計，電池開關設計，過壓過流保護設計，探測下一級儀器設計。

2.1電源模塊設計

儀器工作作需要5V，±12V電源，部分FPGA和單片機需求更多的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。可進行非常低壓差操作（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% 的電壓準確度。

LT1964是一款體積較小，噪聲較低的負電壓芯片。這款芯片主要是面向需要規(guī)則的負電壓，同時對體積、噪聲干擾要求非常嚴格的器件，例如手提式醫(yī)療設備、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公司利用其獨有的DMOS技術，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到1.8V，因此對使用電池的應用產(chǎn)品來說，可延長電池的供電時間。

圖2　

2.2電池開關設計

電池開關的作用是控制電池的輸入。電池開關一般是常開狀態(tài)，電池接入后，電能經(jīng)電池開關進入儀器電源控制系統(tǒng)。當需要切斷某一路電池時，由單片機發(fā)出指令，電池開關執(zhí)行動作，切斷電池。

電池開關主要由兩個MOS管組成。具體設計為，電池的負極通過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。控制時，給G極高電平，D極和S極導通，也就是說，F(xiàn)DS8928中N通道的G極接地，對于FDS8928的N通道，當G極接地時，D極與S極斷開。即電池的負極與地斷開，電池被切斷。

2.3過壓過流保護電路設計

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電流經(jīng)流壓轉(zhuǎn)換后的電壓，通過多路復用器ADG708BRU，經(jīng)單片機逐路選通后進入單片機帶有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帶有A/D轉(zhuǎn)換的輸入端，各電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，與預設值比較。電路圖中的集成運放LM7301芯片及其周邊電阻把轉(zhuǎn)換來的電源信號進行加和，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，當其中一組電池電壓超過預設范圍時，單片機控制進行電池切換。首先打開另一路電池開關，然后向該路電池開關的控制端發(fā)出高電平，切斷其供電。

當電源中突然有大電流出現(xiàn)時，交叉站電源中的保險絲直接熔斷，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，各項電壓電流指標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.開關電源技術和典型引用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009，3.

［2］趙修科.實用電源技術手冊磁性元件分冊［M］.遼寧科學技術出版社，2002，8.

［3］唐志芳.系統(tǒng)級動態(tài)電源管理算法的研究［J］.計算機工程和應用，2005，6.