宽输入电压范围小功率直流稳压电源设计

西安石油大学　郭文旭　魏晴晴　王　潇



宽输入电压范围小功率直流稳压电源设计

西安石油大学郭文旭魏晴晴王潇

【摘要】在导向钻井系统中，井下导向工具需要由受钻井液驱动的涡轮电机供电。由于钻井液流量需满足钻井工程的要求，故钻井液流量会有一个较宽的变动范围，对应地，井下直流电源也必须适应输入电压的宽范围变化要求，维持稳定的电压输出。采用脉宽调制技术设计了一个小功率的直流稳压电源，其交流输入为12V-64VAC，输出为12VDC。该电源由输入电压检测、前馈控制运算、脉宽调制控制、稳压滤波等部分所构成，讨论了电路原理，给出了详细的电路设计，实验验证了设计是可行的。

【关键词】直流稳压电源； 宽电压输入范围；PWM控制器；前馈控制；

0　前言

在钻井、随钻测井（MWD）、随钻录井（LWD）和智能井等井下控制装置中都需要用到直流稳压电源，同时稳压电源的输入一般为井下涡轮电机。涡轮电机的电压输出取决于涡轮转速，而井下水力涡轮的转速又取决于钻井液的流量。在钻井、随钻录井中，钻井液流量需满足钻井工程的要求以适应不同地质和钻井工艺的要求，因此，钻井液流量会有一个很宽的变动范围，这就导致涡轮电机的电压也会在一个很宽的范围内变动。为保证井下直流电源具有更高的适应性，以满足输入电压宽范围变化的要求，设计选定直流稳压电源的交流输入为12V-64V是合理的，设计这样一个宽输入的直流稳压电源是一件比较有价值的事。

1　工作原理

电源包括三大部分：第一、整流部分，利用四个二极管集成而成的整流桥进行整流， 将变压器次级交流电压变换为单向脉动的直流电压。第二、滤波处理，将脉动的直流电压变换为平滑的直流电压。第三、稳压部分，利用TL431、SG3525、CD4069以及MOSFET等器件组成的PMW开关电源的稳压电路部分。

图1　系统结构

电路工作原理：对电压为12V~64V的交流输入，经整流桥整流、滤波后由检测电路采样，得到输入电压的检测信号，电压信号送入控制运算电路，经过信号运算处理，得到与输入电压成反比的PWM控制输出，即输入电压增大时相应的输出信号的占空比减小，对MOSFET进行PWM开关控制；从而获得低纹波的稳压输出。

图2　脉宽调制电路

2　电路方案设计

2.1信号处理电路设计

利用TL431进行输入电压采样，当功率输出端电压小于12V时，用大电阻进行分压采样2.5V电压送到TL431的输入端，TL431的输出端就会产生一个较小的差动电流作用在光耦元件之上，差值越小，产生的电流也就越小，这样作用在光耦上的电流也就越小，使得光耦的输出端产生的电压也就越低，简而言之就是，当功率输出端的电压低于12V时，输送到SG3525输入端的电压也就越小，反之，当功率端电压高于12V时，送到SG3525的反馈电压也就越大，从而达到采样输入电压的目的。

2.2PWM控制电路

由TL431与光耦处理后的电路，将输出的电压送到SG3525的端子2，经SG3525处理将正弦波转换成矩形波，可以调节输入电压的大小从而调节占空比的大小。这里二极管的作用是利用了其单向导电性，使矩形波可以顺利显示，并且还具有整流作用，使矩形波更加平滑。

SG3525 采用精度为±%1的5.1V带隙基准源，具有很高的温度稳定性和较低的噪声等级，能提供1-20mA 的电流，可以作为电路中电压和电流的给定基准。振荡器的振荡频率由外接的电阻RT和电容CT 决定，而外接电容同时还决定死区时间的长短，开关频率同 RT和电容CT的关系如下：

RD为引脚6、7间跨接的电阻值。根据需要电路的频率的10KHZ，所以我们应该选择合适的电阻值和电容值，由上面的公式可得我们将CT定为0.01μF，则有：

则有RT≤14.3K。又因为RD≤500Ω我们选择RT=14K，RD=67欧。这样我们设计出的功率为10KHZ。SG3525两输出引脚并联输出即可使产生的PWM信号占空比在0%~100%之间变化。

当输入的采样电压增大时，相对应的SG3525输出PWM波占空比也相应增大。而在此我们要选择合适的R5和R6，以及C2，脉宽调制电路如图2所示。

当SG3525的输入信号为1.05V时，输出的占空比为1.3%，当输入电压幅值为3.30V时，输出的方波占空比为81.3%，而当输入电压幅值为2.35V时，输出方波的占空比为50%。当输入电压幅值>3.30V时，输出的方波占空比保持为约90.2%，并不再变化。

2.3MOSFET驱动电路

MOSFET驱动电路如如图3所示。

图3　MOSFET驱动电路

选择12V的稳压管D3、D5和5.1K的电阻R16接地对场效应管进行过压保护，这样可以使得MOS管g-s端电压不会超出12V。在此电路中R16主要是当MOS管关断或开路时进行续流保护，为了防止当经过MOS管的电流过大时造成虚导通，而使SG3525击穿。而R14和C4是场效应管Q1的保护电路，当MOS管两端电压增大时，R14和C4进行放电，防止MOS本身的寄生电容和电感击穿，从而保护MOS管。

3　总结

在输入电压12V~64VAC的输入范围内，PWM控制信号在10.2%~91.3%之间变化，输出电压稳定在DC12V±0.2V之间，输出纹波满足井下设备的供电要求，说明电路工作正常。占空比与输入电压之间的关系实测表明，信号的测量和控制运算电路设计可行。

参考文献

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基金项目：陕西省大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号：2014107051032）。