随钻电源系统设计

仇傲，李源，刘西恩，肖兵

（中海油服油田技术研究院，河北 燕郊 065201）

0 引言

从20世纪90年代开始，随着大斜度井、水平井和侧向钻井等勘探和钻井技术的发展，常规的电缆测井方法受到很大限制，随钻测井技术得到加速发展和完善。随钻测井是在钻井过程中用安装在钻铤中的测井仪器测量地层性质并将测量结果传送到地面或记录在井下存储器中的一种技术[1]。相比电缆测井仪器，随钻测井仪器安装钻铤内较小空间，只能采用井下供电方式。同时仪器还需要在地面进行数据读取，因此其电源系统要求兼容多种供电方式。

1 随钻电源系统需求

随钻仪器的供电一般由中控仪器统一供电。电源来源为泥浆发电机或多节锂电池串联而成的电池短节。由于钻铤空间有限，电池短节不能做得太长。通用的为36节3.57 V电池串并组合形成32 V，80AH的电池组。由于能量有限，所以一些耗能高的仪器，比如随钻电阻率仪器和随钻声波仪器都采用自带备份电池组的设计[2-4]。备份电池组一方面提供仪器耗能较高的高压放电，另一方面在中控供电不足时保证仪器完成测量工作。备份电池组根据仪器不同，一般为供电电压21～32 V。仪器的另一种供电方式是在地面进行数据读取时，通过数据读取盒从仪器的port口给仪器供电。

综上所述，仪器的供电种类和优先次序如表1所示。

表1 仪器供电种类及次序

2 随钻电源系统设计

根据电源需求分析，系统从3路来源中自动切换出一路进行二次电源变换，产生采集传输电路所需的数字+5 V和模拟±12 V。若是仪器具有高压要求，则从通过备份电池组经高压转换模块产生仪器所需高压。系统结构图如图1所示。

图1 随钻电源系统框图

2.1 多路供电切换开关设计

切换开发部分按照表1设计的优先次序选择不同的电源来源。当正在使用的高优先电源压降低于设定门槛值时自动切换下一个优先级电源。

传统继电器和集成模拟开关芯片的导通电阻都在0.5 Ω到几欧姆的范围内，在大电流输出的情况下会产生很大的电压降，影响供电电压的准确性以及后续DC-DC转换效率。

本系统中按照图2所示设计了切换开关。其中开关部件选用增强型MOSFET管。当Q1和Q2截止时关断电源输出，在导通时形成一个电压源。MOSFET管导通电阻只有几毫欧满足系统需求。比较器U1产生控制Q1和Q2的导通截止的开关信号。此开关信号通过控制Q3的导通截止间接控制Q1和Q2栅漏极电压从而达到对Q1和Q2导通截止控制。U1的比较基准电压由R4和VR1产生。其中稳压二极管VR1的电平即为系统设定的门槛值。比较输入电压由高优先级电源分压采样而得。当采样电压低于门槛值时，U1比较输出脚变为高电平控制Q1和Q2导通，低优先级电源供电并通过二极管阻断高优先级电源供电。

图2 切换开关图

2.2 二次电源转换电路设计

二次电源转换电路为随钻电源系统中的核心模块。由于随钻仪器特殊工作环境的要求，二次电源转换电路除了输出电压纹波的要求外还对电源转换效率有较高要求。鉴于以上要求，系统采用BUCK型拓扑结构进行DC-DC变换设计。该拓扑结构的主要工作方式即在开关管导通时，输入电源给电感充电，在开关管截止时，电感通过续流二极管对输出电容充电。通过调整开关管的开关频率或开关占空比稳定输出电压。该种结构可以提供较大输出电流，可通过提高输出电感量保持输出电流处于连续状态，减小纹波，可通过只调整占空比而减小开关频率以提高效率[5-7]。本设计中使用TI公司的tps40200搭建了一个BUCK型DC-DC系统。如图3所示。

图3 二次电源转换电路

tps40200芯片内部晶振和 PMW 根据输出电压的大小进行斩波，产生控制信号后经内部电压驱动器从4脚输出控制P沟道MOS管Q2，此信号通过调整Q2的占空达到控制输出电压脉冲信号。tps40200芯片同时从FB脚引入电压反馈信号作为内部误差放大器的反相输入端，该放大器的输出还通过COMP脚以及外围的阻容电路和FB脚之间构成一个补偿环路最后达到对输出电压和设计值之间的微调。输出电压再通过之后的嵌位二极管和电感电容组成缓冲整形电路，将电压脉冲整形成平滑稳定电压输出[8]。各控制脚电压如图4所示。

图4 控制引脚

3 仿真与实验

对设计电源的效率进行仿真验证如图5所示。在负载电流为0.6～1 A这个较宽的范围内都能到达85%以上的效率，满足不同随钻仪器负责需求。

图5 电源效率图

在电源输出端串联一个10 Ω电阻作为负载模拟最大输出电流500 mA 条件，对输出电压进行测试。输出电压稳定在5.025 V，纹波在40 mV左右，达到设计要求。

根据仿真和实验结果，随钻电源系统能够使电源系统根据设计要求可靠地切换和关断，且功耗低、抗干扰能力强；二次电源纹波和效率均能够满足设计要求。

4 结论

随钻测量仪器供电系统复杂、且负载功耗较大，如何保障仪器电源稳定工作是一项关键技术。本文根据随钻测量仪器供电特点、电源需求和工程应用要求，设计了随钻仪器电源系统。解决了不同电源来源的可靠切换和二次电源设计两大问题。仿真和实验结果表明，所设计的电源控制电路功耗低、抗干扰能力很强，二次电源转换具有较高效率，能够满足随钻仪器需求。

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