基于KT 系列芯片的钻孔成像仪探头电路设计

贾若辰，潘照方

（中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西西安 710077）

钻孔成像仪是一种以图像方式对岩土工程深部构造情况进行直观观测的专业化钻孔摄录仪器。使用钻孔成像仪对煤矿井下钻孔或地面垂直孔的孔内进行观测已成为常规的地质勘探方法之一。钻孔成像仪可用于煤矿井下锚杆孔、瓦斯抽放孔和探放水孔等中小孔径以及管道、裂缝等的检查、观测、记录和钻孔内断钻、掉钻的可视化打捞等[1-7]。

根据实际工程需要，钻孔成像仪需兼具视频录制、拍摄、轨迹测量等功能。钻孔成像仪探头作为钻孔内实现上述功能的成像仪主机外接设备，需在其内部装有摄像模组和姿态测量模组。由于摄像模组、光源模组和姿态测量模组具有不同的输入电压，因此，需对输入电压降压，从而为各模组供电。此外，由于钻孔内无自然光源，探头还需高亮光源模组为其视频录制提供照明光源。针对钻孔成像仪探头在钻孔内使用的实际需求，设计了稳压电路、光源驱动电路和灯板电路[8]。

1 探头电路组成

矿用钻孔成像仪探头电路包括稳压电路、光源驱动电路、灯板电路、PNI 电子罗盘电路以及摄像头。探头电路组成框图如图1 所示。

图1 探头电路组成框图

稳压电路用于将外部输入的9～12 V 供电电压转至5 V 后，再由5 V 稳压至3.3 V，再分别提供给光源驱动电路、PNI 电子罗盘电路和摄像头。其中摄像头采用3.3 V 电压供电，光源驱动电路和PNI 电子罗盘电路采用5 V 电压供电。

灯板电路由三串三并共计九颗LED 发光二极管组成，为钻孔成像仪探头在光线不足的工作场景提供有效照明光源。光源驱动电路用于给灯板电路提供恒流驱动，保证灯板电路的LED 发光二极管稳定工作。

PNI 电子罗盘板则用于记录探头的方位角、倾角和工具面向角等姿态信息，并通过RS485 传输数据。

2 电路设计

2.1 稳压电路

稳压电路设计包括两部分：12 V 转5 V 和5 V 稳压至3.3 V。12 V 转5 V 的U1 降压芯片选用Kinetic的KTB8370。12 V 转5 V 电路原理图如图2 所示。

图2 12 V转5 V电路原理图

KTB8370 芯片作为同步降压稳压器，具有4.7～17 V 的宽电压输入范围，固定输出电压在0.64～5.5 V 区间内，其最大输出电流高达5 A；同时具有±0.5%的反馈电压参考，以及先进的自适应实时控制、快速瞬态响应和高输出电压精度。封装方式为1.7 mm×2.0 mm×0.6 mm 尺寸的WLCSP20 封装。依据芯片手册，通过式（1）可算出总有效输出电容的容值：

式中，VIN、VOUT分别表示输入电压、输出电压，单位为V；COUTEFFECTIVE表示总有效输出电容，单位为μF；ISTEP表示最大的负载暂态步长，单位为A；33 mΩ为内部控制电路设置的常数。

KTB8370 的标称电感值为0.8～6.5 μH，由于电感值越小，负载瞬态响应越快，因此L1的电感值设置为1 μH。式（1）中的ISTEP设置为最大5 A。根据式（1）计算可得出：

电压从12 V 降至5 V 需要COUTEFFECTIVE值大于或等于22 μF。为获得更好的负载瞬态响应，并联使用C5、C6、C7三个电容作为输出电容，其容值分别为10 μF、10 μF 和2.2 μF。

此外，成像仪安标要求VIN输入的最大电压限制在12 V 以内，因此在VIN输入端增加13 V 的稳压二极管D1。同时，为防止KTB8370 芯片短路时对后端电路的损坏，在VOUT输出端增加5.6 V 的稳压二极管D2。

5 V 稳压至3.3 V 的U2 稳压芯片选用AMS1117-3.3 低压差稳压器，封装方式为SOT-223 封装。其可提供最大1 A 的输出电流，并可在输入输出压差仅有1 V 时工作。在U2 稳压电路的输入端使用C8和C9电容并联（容值分别为10 μF 与0.1 μF），输出端使用C10和C11电容并联（容值分别为10 μF 与0.1 μF）。电路原理图如图3 所示。

图3 5 V稳压至3.3 V电路原理图

2.2 灯板电路

使用成像仪探头观测煤矿井下钻孔或者观测地面垂直孔时，由于钻孔内部无自然光源且空间狭小，因此首选体积小、亮度高的光源。此外，探头部分是由成像仪主机内置锂电池为其供电，为尽可能延长主机的连续工作时间，功耗也是选择照明光源的重要因素之一。

LED 发光二极管是一种半导体照明光源，其特点为亮度高、效率高、寿命长、功耗低等，因此选择LED 发光二极管作为照明光源[9]。

LED 发光二极管有直插式和贴片式两种类型。贴片式LED 发光二极管内部聚集光线仅靠一个透镜结构，因此发射角度大、照射范围大，但照射距离较近。直插式LED 发光二极管通过反光帽和透镜结构等汇聚光线，对比贴片式LED 发光二极管，光线汇聚效果更好，虽发射角度和照射范围变小，但照射距离较远。由于使用现场需要对孔内侧壁及孔底情况进行观测，而观测孔内尺寸一般较小，所以对照明光源的发射角度要求不高，但需要光线汇聚，照射距离远。因此，直插式LED 发光二极管更适合作为照明光源使用[10-12]。

依据钻孔成像仪探头的结构，设计的灯板位于探头顶部呈圆环状，摄像头位于圆环中央，LED 发光二极管围绕摄像头一圈。受限于灯板结构，在灯板的环形结构中放置了三串三并共计九颗LED 发光二极管，D1-D3为第一路，D4-D6为第二路，D7-D9为第三路，灯板电路原理图如图4 所示。

图4 灯板电路原理图

2.3 驱动电路

LED 发光二极管的驱动方式有恒压驱动和恒流驱动两种。当有LED 发光二极管短路时，恒压驱动可能会导致其余LED 电压增加造成损坏，而恒流驱动时，其余LED 不受影响。因此，恒流驱动方式更适合灯板电路[13-16]。

光源驱动电路的恒流驱动芯片U3 选用Kinetic的KTD3113。KTD3113 是一种电流调节的升压转换器，具有25 V 的过压保护，可最多连接三串（每路六个LED 发光二极管）共计18 个LED 发光二极管，提供给每个通道最大25 mA 的电流。该芯片高度集成了升压DC-DC 变换器，输入电压范围为2.7～5.5 V，可适应单芯锂离子电池或5 V 调节电源。同时，KTD3113 集成了一个30 V 功率场效应晶体管以及补偿和软启动电路，并内置了包括周期性输入限流保护、输出过压保护、LED 故障(开或短路)保护和热停机保护等保护功能，停机状态下的泄漏电流小于1 μA。封装方式为3 mm×3 mm×0.75 mm尺寸的ThinQFN封装。光源驱动电路原理图如图5所示。

图5 光源驱动电路原理图

+LED 与灯板电路的三串LED 发光二极管阳极相连，S1、S2、S3 分别为三路输出电流调节端，与灯板电路的三串LED 发光二极管阴极相连。

当某个LED 出现故障时，故障串的电压会被拉低，此时升压转换器控制回路，输出电压将达到过电压阈值。LX 引脚用于检测输出过电压。一旦过电压情况被检测到，发生故障的一串LED 发光二极管将被禁用。之后升压转换器的输出电压恢复正常。在此过程中，其余LED 串继续正常工作，为探头提供照明亮度。

3 电路测试

为测试电路性能，将稳压电路、光源驱动电路、灯板、PNI 电子罗盘板以及摄像头按图纸连接，并使用直流稳压源供电。

3.1 稳压电路性能测试

直流稳压源输入12 V 电压，使用数字万用表的电压档测量稳压电路的输出电压。输出电压测试情况如表1 所示。

表1 输出电压测试

经测试，电路稳压效果良好，满足电压精度要求，符合电路预期设计。

3.2 光源驱动电路性能测试

将数字万用表调至电流档串接在驱动板P1 端口上+LED 与灯板上+LED 之间，用于测量灯板上LED 发光二极管的总工作电流，计算出经过每一颗LED 发光二极管的电流。测试情况如表2 所示。

表2 灯板工作电流测试

经过测试，电流输出稳定，可保证光源驱动电路正常工作。

3.3 光源照度及现场试验

将钻孔成像仪探头组装完成后，使用数字照度计对探头光源照度进行测试。数字照度计放置于探头正前方5 cm 处，数字照度计测试值为3 196 Lux。光源照度测试值如图6 所示。

图6 光源照度测试值

在现场试验中将探头深入地面观测孔68 m 处，清晰可见钻孔内壁及裂隙水，如图7 所示。经多次测试，电路工作稳定、运行可靠，符合预期设计。

图7 现场试验孔内观测情况

4 结论

针对钻孔成像仪在小孔径、无自然光钻孔内应用的实际工况环境，设计了成像仪探头的稳压电路、光源驱动电路和灯板电路。

通过稳压电路、光源驱动电路的性能测试，以及光源照度和现场试验，结果表明，电路稳压效果良好，电流输出稳定；光源照度满足需求，现场试验时钻孔内壁及裂隙水清晰可见，符合预期设计的使用要求。

电路设计中选用了Kinetic的KTB8370和KTD3113来实现电路的稳压和恒流驱动，但目前可实现以上两种电路的方式仍有很多，有待于下一步进行更深入的研究。