过钻具阵列感应仪器开关电源方案设计

梁小兵 陈文 朱瑞明 宋宇 杜英伟 王强

摘 要：过钻具阵列感应仪器是为特殊复杂井况设计的高端测井成像装备，由于仪器发射功率较大，为了提高电源的效率，解决传统线性电源效率低、发热大的缺点，提出了开关电源解决方案。本方案采用一种高频开关电源技术，对仪器中大功率发射单元和数字電路部分采用开关电源设计方案，提高供电效率。同时，应用EMI技术，通过独特设计的滤波单元，消除开关电源开关频率对下井仪器中模拟电源部分的干扰，既提高了电源效率，又保证仪器的测量精度。

关键词：过钻具阵列感应仪器；开关电源；电磁干扰；滤波器

*本课题为中国石油集团公司项目“多模式过钻具成像测井系统现场试验”项目编号2021ZS03

0 引言

过钻具阵列感应仪器是用于石油勘探开发的高端成像测井仪器，是为特殊过钻杆工艺和保护套施工工艺设计的特殊仪器，仪器发射功率较大，高效的开关电源对仪器开发意义重大。仪器的工作环境温度为175 ℃，仪器的设计难点是仪器的电源系统设计，传统线性电源由于效率低和发热大的缺点，很难满足设计要求。与传统裸眼井阵列感应仪器相比，由于仪器采用电池供电，所以对仪器的供电系统提出了更高的要求。过钻具阵列感应仪器属于大功率电阻率成像仪器，仪器的总功率在25 W左右，对下井仪器的供电系统提出了更高的要求。本文提出了开关电源解决方案，采用高频开关电源技术，在仪器中大功率发射单元和数字电路部分采用开关电源设计方案，提高供电效率，同时应用EMC技术，通过独特设计的滤波单元，消除开关电源开关频率对下井仪器中模拟电源部分的干扰，既提高了电源的效率，又保证仪器的测量精度。

1 过钻具阵列感应仪器

过钻具阵列感应下井仪器的工作原理是由发射线圈向地层发射激励信号，由接收线圈接收来自地层的二次感应信号，提取地层有用信息，用于分析泥浆侵入、各向异性地层识别[1]和石油储层评价等[2]。

过钻具阵列感应仪器的构成框图如图1所示，主要包括电子线路和探头两大部分。电子线路部分由通信模块、数字处理模块、前放模块、电源模块、发射模块和泥浆电阻率模块构成，探头部分主要包括发射和接收线圈系。

图中前放模块实现对微弱信号60 dB增益放大，对电源噪声要求较高。其他功能模块为数字电源供电，其中发射模块对发射线圈提供激励信号，是仪器的主要功耗单元。过钻具阵列感应线圈系结构如图2所示。

2 传统阵列感应仪器线性电源设计方案

传统阵列感应仪器的电源系统采用线性电源供电系统，系统框图如图3所示。

在线性电源系统设计中，电源效率低下，线性稳压器产生大量热能，增加仪器工作的不稳定性。井下仪器的供电来自井上发电设备经电缆传输至井下电源供电系统输入端，对地面供电系统提出更高的要求，为了解决上述问题，我们提出开关电源的设计方案。

3 过钻具阵列感应仪器开关电源设计方案

根据过钻具阵列感应仪器的特点，我们把发射功率较大的±15 V发射电源和数字电路供电部分的数字电源采用开关电源系统设计，强放电路模块即对微弱信号进行强制放大处理部分的电路仍然采用线性电源设计方案。电源详细设计方案框图如图4所示。

4 EMI技术

过钻具阵列感应仪器属于高端精密仪器，其测量信号非常微弱，信号的量级只有几十微伏，甚至几十纳伏，而且感应仪器信号频率范围从（20～120）kHz的范围内，容易受到开关电源频率及谐波分量的影响；不好的电源系统设计会对原始信号产生很大的干扰，甚至完全淹没，因此电源系统的设计就显得尤为重要了。电源设计的主要任务就是利用EMC/EMI技术，通过独特设计的滤波单元消除开关电源模块对模拟电源部分的干扰。

开关电源产生的EMI（electromagnetic interference） 的根本原因是功率开关器件的高速开关动作（几十kHz到几兆Hz）[3-5]，在其工作过程中的电流变化率和电压变化率非常大，这种控制方式使得开关电源的EMI频谱主要分布在基波频率和谐波频率上。

为了抑制开关电源产生的EMI，可以通过调制PWM开关信号，将集中在基波频率和谐波频率上的谱能量分散到边带频率上，减小最大谱峰值，从而使开关电源可以较为容易地通过EMI的相关规定，还可以通过使用复杂的噪声滤波器和防护罩来降低开关电源的EMI[6]。

按照途径区分，高频电源干扰发生特点可分为传导干扰和辐射干扰，传导干扰又可分为共模干扰和差摸干扰。辐射干扰主要为电磁辐射。差模信号由高频工作电流、数字电路工作电流引起，可由旁路电容滤除；共模信号由高频开关电压经杂散电容传播，可由共模滤波器滤除；电磁辐射经空间传播，可由金属屏蔽、破坏引出线天线效应滤除。

5 EMI技术在过钻具阵列感应仪器中的应用

在过钻具阵列感应仪器开关电源模块设计中，采用同步整流技术使整流损耗降至1%以下；利用磁耦合PWM控制，保证电源模块在高温下的高可靠性；采用精确的原边限压设计，使控制输出更加可靠。为了提高开关电源模块的可靠性，增加了硬件冗余设计，包括电容、开关管等易损部件。使用定频软开关技术同时限制频谱范围，在电源模块设计中对电源模块本身金属屏蔽，阻断天线效应，内置基本滤波背板单元，大大降低了电磁干扰[7-8]。

图5为过钻具阵列感应仪器在实井测试中的原始数据曲线，仪器的原始信号变化范围小于1 mS/m，满足仪器设计要求，可见开关电源供电系统满足设计要求。

6 结束语

本文分析了开关电源模块电磁干扰产生的原因及其特点，设计了以EMC/EMI滤波器为核心的解决方案，通过关键技术的设计和应用，消除了开关电源的电磁干扰，在过钻具阵列感应仪器设计中进行了成功的应用。实验结果表明，在下井仪器电源系统设计中，设计的一些关键技术可以有效抑制开关电源模块对测量系统的电磁干扰，应用效果良好。

参考文献：

[1] 肖加奇.新一代网络化测井系统LEAP800[J].石油仪器，2012， 26（1）：26-29.

[2] 谷树忠.开关电源的电磁兼容性设计[J].电子技术应用，2001，27 （3）：30-32.

[3] 刘秉安.基于一种有源EMI共模技术的研究[J].国外电子测量技术，2010，29 （6）：62-65.

[4] 樊亚坤.耐高温大功率开关电源用电感器设计[J].电子测量技术， 2011，34（1）：72-75.

[5] 韩星.改善开关电源输出特性方法的研究[J].电子测量技术，2006， 29（2）：29-44.

[6] 李海松.有效降低开关电源EMI的电路设计[J].北京理工大学学报，2009，29（2）：142-146.

[7] 白昊.基于开关电源的EMI滤波器设计与实现[J].电力电子技术， 2012，46（5）：1-3.

[8] 和军平.开关电源共模传导干扰模型的研究[J].中国电机工程学报，2005，25（8）：50-54.

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