使用WEBENCH在線工具設計井下高溫電源

胡永建,孫 琦,胡奕然

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

0 引言

在石油鉆井時，需要為處于井下高溫環境的儀器設備提供穩定、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，在地熱及井下探測等領域有廣泛應用[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點[2]。

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

傳統的開關電源優化設計依賴于人工計算、樣機制作和調試，工作量大、難度高。美國德州儀器(Texas instrument,TI)新版在線電源設計工具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節高溫鋰電池串聯供電，轉換效率高，具備軟啟動等多種保護功能，可以滿足多數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后，再通過二極管并聯為降壓型DC/DC轉換器供電。二極管的存在可以避免強制充電。DC/DC轉換器的降壓輸出為外部設備供電。與LDO相比，降壓型DC/DC轉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。電池的放電電壓與剩余容量、工作溫度、放電電流相關，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轉換器進行優化設計。

為了提高性能及可靠性，現代DC/DC轉換器已將PWM控制器集成在單一芯片內。為了提高工作效率，有的芯片甚至集成了開關管。此類DC/DC轉換器具有復雜的功能和內部邏輯，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信號關斷電源；通過PGOOD信號判斷供電是否正常等。

2 設計目標

本文設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、電阻率等多數井下儀器的供電需求。具體設計目標：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。

本設計所選一次性高溫鋰電池標稱容量為28 A，最大持續放電電流為1.5 A，最高工作溫度為145 ℃，內部帶有7 A的超快熔斷保險絲用于短路保護。不同數量的鋰電池串聯可以提供不同容量，滿足不同時長的供電需要。串聯電池節數越多，供電時長配置越靈活(還可通過電池組的并聯增加容量)；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轉換器芯片的最大輸入電壓已經能夠達到100 V，如LM5116、LM5164等。

3 DC/DC轉換器設計

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

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

3.1 選型

基于WEBENCH的電源設計從器件選型操作開始。啟動在線設計工具，選擇DC/DC電源開始設計。輸入設計參數(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、環境溫度為125 ℃、軟啟動時間為5 ms、按照最大效率優化方案)，系統可自動篩選出滿足條件的設計方案。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。

滿足當前設計目標的方案只有一項，即LM5166器件組成的開關電源。這與通過TI產品清單所帶的篩選器得出的結果一致，也可以通過輸入器件型號直接開始設計。TI LM5166是具有超低待機電流的同步型降壓轉換器，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，最高結溫為150 ℃，可選恒定導通時間(constant on-time,COT)或脈沖頻率調制(pulse frequency modulation,PFM)控制模式。前者開關頻率不變、轉換效率高，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輸出時的轉換效率依然高達86%。LM5166具有滿足設計目標的功能及各類保護，可以提高井下作業的可靠性。

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計特征的運行值曲線圖。

3.2 定制

3.2.1 原理圖相關內容

設計方案原理如圖3所示。

圖3 設計方案原理圖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Css為47 nF時，軟啟動時間約為5.8 ms，滿足設計參數的需求。

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組成的分壓網絡提供。它們與輸出電壓的關系由式(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Rfbt為2.32 MΩ時，輸出電壓UOUT為24.1 V，滿足設計要求。

濾波電感L1與流經電感的紋波電流相關，輸出電容和轉換器輸出的紋波電壓相關。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組成的紋波網絡。其他類型的紋波網絡可以得到更小的輸出紋波電壓。

值得注意的是，原理圖上同時標出了與轉換效率相關的電容等效串聯電阻(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計密切相關[5]。本文PCB采用四層板設計。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，設計工具提供了一系列替代器件，用戶可以根據供貨等情況加以選擇，選擇完成后重新計算，以評估結果。

計算結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、開關頻率、轉換效率等多項系統參數，以及芯片、電容、電感及功率方面的多項參數，用于與設計目標進行比較。

以開關頻率為例，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為開關頻率，kHz。

當Rt為1.4 MΩ時，FSW約為97.95 kHz。該結果與設計工具計算得到的運行值97.96 kHz一致。

以轉換效率為例，圖5給出了轉換效率與輸出電流的關系。

圖5 轉換效率與輸出電流關系圖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%的轉換效率。由于WEBENCH Power Designer可以根據方案的優化傾向，從低成本、高效率、小尺寸及綜合平衡等方面進行優化。在定制頁面，既可以更改優化傾向，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果，設計工具提供了多種仿真手段。

3.3 仿真

在上一版本的設計工具中，不僅包含了基于通用模擬電路仿真(simulation program with integrated circuit emphasis,SPICE)的直流及瞬態電仿真工具，還包含了基于TI WebTHERM專有技術的熱仿真工具。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、輸入瞬態和穩態等4種電仿真，仿真的條件參數直接顯示在原理圖中，仿真結果顯示在波形圖中。圖6給出了啟動仿真結果。

圖6 啟動仿真結果Fig.6 Simulation of start-up

設定的輸入電壓在0.02 ms內從0 V躍升到46 V。從圖6可見，輸出電壓在經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計工具。

3.4 導出

所有數據(包括原理圖、PCB設計圖、BOM、計算及仿真數據)都可以導出，用于測試調試、生產制造及器件采購。其中：原理圖、PCB及仿真數據可以導出為Alitium Designer、Candence OrCAD等格式，通過Ultra Librarian軟件得到器件的庫文件。仿真數據也可以導出為TINA-TI的電路圖，用作進一步仿真分析。TINA-TI軟件是TI與DesignSoft共同開發的、基于SPICE技術的電路仿真軟件。

4 系統設計

使用WEBENCH Power Designer完成DC/DC轉換器設計后就可以進行系統設計。圖7給出了系統電路圖。

圖7中：引出了控制信號;EN輸入信號只需大于1.22 V,即可啟動轉換器;PGOOD引腳在芯片內部是開漏輸出，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量最多為17節。假設鋰電池放電截止電壓為2 V，允許接入的最低數量為14節。可以通過將串聯的電池組接入二極管并聯來增加電池容量，延長供電時間。常規整流二極管有較大導通壓降，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標準干體爐提供溫度環境。該設備最高設定溫度可達250 ℃，使用雙區控溫，溫場范圍大、穩定性高。與常規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，負載電阻設定為80 Ω，高溫電源額定輸出電流約為0.3 A。

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

6 結論

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