新型稳压电源模块设计及其在物探测井设备中的应用
2016-01-12陈仁才,阳林锋
新型稳压电源模块设计及其在物探测井设备中的应用
陈仁才1，阳林锋2
(1.重庆地质仪器厂，重庆400033； 2.中国核动力研究设计院，成都610041)
摘要：本文主要介绍宽范围高电压输入、低压差高电压输出的可调稳压电源模块(以下简称输出可调电源模块)和高转换效率的低压电源模块(以下简称电源转换模块)的设计特点、主要技术指标及其在物探测井设备中的应用。
关键词:物探；测井；稳压电源；应用
中图分类号:P631.83
收稿日期：2014-10-10
作者简介：陈仁才，男，1987年毕业于成都地质学院三系放射性物探专业，高级电子工程师，长期从事放射性物探仪器、大功率激电仪发送机、综合地球物理测井井下探管等的设计及方法研究工作，参与并负责多项国家重大项目中井下测井探管的设计，Tel：13101362800，E-mail: cqcrc@163.com；阳林锋，男，2009年毕业于成都理工大学核工程与核技术专业，主要从事物探仪器(测井仪器、地学核仪器)调试及研发设计工作。
1概述
仪器、仪表设计中低电压输出电源设计是其重要组成部分之一。常用的低电压电源有：+3V、+5V、+12V、+15V、-5V、-12V、-15V等种类。但因输入电压的不稳定造成设备不能正常工作或损坏现象时有发生，特别是物探测井的井下设备，其所需电源由地面主机通过几千米的电缆后提供，由于井下电缆、电路的感性负载、容性负载等影响，常常造成井下仪器不能正常工作[1-3]。本人根据不同仪器仪表对电源的不同，将电源设计为二部分：①输出可调电源模块；②电源转换模块。将这二种电源模块组合应用于相关测井设备，可以解决以上问题。
2设计思路
2.1 输出可调电源模块设计
输出可调电源模块设计示意图如图1，为扩大该模块的使用范围，将图中“直流稳压”部分设计为可调[4]。当直流输入电压达到特定要求电压时便可得到稳定的直流电压输出。
图1 输出可调电源模块设计示意图
2.2 电源转换模块设计
电源转换模块采用开关稳压集成电路芯片，另加少量外围器件构成。
3电源模块特点及技术指标
3.1 输出可调电源模块特点及技术指标
输出可调电源模块具有：输入电压范围宽、输入输出电压压差小、输出电压可调且纹波小、温漂小、体积小(22mm×36mm×14mm)、重量轻、使用方便等特点。主要技术指标为：
·输入电压：Vi≤200V
·输出电压：Vo≤180V，可调
·输出电流：Io≤3A(当Io较大，Vi、Vo相差也较大时模块应加装散热片)
·输出纹波：Vo≤100mV
·使用环境温度：-45～125℃
·温漂：≤0.5‰
·模块具有输出过压、过流保护
3.2 电源转换模块特点及技术指标
电源转换模块具有：输入电压范围宽、输出电压种类多且纹波小、温漂小、输入输出电压压差小、电源转换效率高(≥80%)、体积小(20mm×7mm×15mm)、重量轻、使用方便等特点。主要技术指标为：
·输入电压：Vi≤60V
·输出电压Vo：+5V、+12V、+24V、-5V、-12V、±12V、±15V等不同电压组合的多种规格[5]
·输出电流：正向Io≤2A，负向Io≤0.5A
·输出纹波：Vo≤20 mV
·使用环境温度：-45℃～125℃
·温漂：≤0.5‰
·模块8h工作输出电压稳定性误差≤1‰(Io=0.1A测试)
4电源模块试验
4.1 输出可调电源模块带负载能力试验
输出可调电源模块输出+48V电压时，不同负载下的最小输入电压见表1。
表1
输出电流Io/A0.10.20.30.40.50.7最小输入电压Vi/V50.951.852.6853.554.355.1
表1显示：①在输出电压Vo=48.0V，输出电流Io=0.1A时，Vi、Vo间的最小压差=2.9V；②随着负载电流Io增大，要保持输出电压Vo稳定，需要增大输入电压Vi；③当(Vi—Vo)×Io≥6W时，应注意电源模块的散热。
试验发现：输出可调电源模块在一定的负载电流下欲保持输出电压Vo稳定，应适当提高输入电压Vi；对不同的Io，即使Vi-Vo不到最小压差，Vo也有输出，只是Vo稍低于输入电压Vi。
4.2 输出可调电源模块受温度影响试验
输出可调电源模块输出电压受温度变化情况见表2。
表2
温度/℃25406080100110输出电压Vo/V47.9447.9247.8947.8747.8347.79
注：Vi=+53V、Io=200mA。
表2显示：输出可调电源模块在温度从25℃增加到110℃，模块输出电压变化≤0.5‰。
4.3 +24V电源转换模块在不同输入电压下变化试验
+24V模块输出电压随输入电压变化情况见表3。
表3
输入电压Vi/V15.0024.0024.7530405059输出电压Vo/V14.4623.3123.99524.00424.00423.99623.996
注：负载电阻400Ω
表3显示：输出电压带400Ω负载时，当输入输出间的压差≥0.75V便可保证因输入电压变化引起输出电压变化≤1.0‰ 。
试验发现：①随着负载电流的增大，为保持稳定的电压输出，需要适当提高输入电压；②+24V电源模块在输出负载电流≥0.6A时应注意模块散热。
5电源模块在测井探管中的应用
目前市场上有多种型号的测井主机，主机通过绞车电缆向井中探管提供50～110V电压(可调)；市场上所使用的绞车其电缆长度一般有300m、1100m、1500m、2000m及3000m等多种规格；同一绞车经使用后电缆长度有时也会发生变化。针对以上因素就要求测井探管能适应高电压、宽电压变化的输入电源模块[6]。
5.1 电源模块在居中补偿密度、贴壁补偿密度、井温流体、测斜、声速声幅等探管中的应用
居中补偿密度、贴壁补偿密度、井温流体、测斜、声速声幅等探管从前一般采用常规的电源电路，探管工作直流电流一般在100～240mA之间，这样同一探管对不同测井主机或绞车，探管电压需要调试。现将它们改为“56V直流输出的宽电压输入大功率稳压电源模块+低压电源模块”来作其电源电路，这样上述探管工作电流将降到50～80mA之间，从而同一探管对不同测井主机或绞车(即使绞车电缆长度3000m)，其工作电压就不需要调试，且探管工作更稳定。
5.2 电源模块在ZH1、ZH2组合探管中的应用
ZH1探管主要为自然γ、测斜、井温、声速、声幅等测量参数的组合，ZH2探管主要为自然γ、测斜、井温、聚焦电阻率、流体电阻率等测量参数的组合。它们的特点是探管一次下井测量参数多，测井提升/下降速度快，但工作电流大(工作电流在450mA左右)，这样在探管中采用一般电源电路其测井深度就受到一定限制，为此需要采用电源模块[7]。普通电源模块与组合电源模块在上述探管中使用时的性能对比见表。
从表4可见：探管采用常规电源即使绞车电缆1000m，测井主机90V供电，需要将绞车电缆的2根缆芯并接作井下探管供电的电源正，探管才能正常工作；当探管采用组合电源模块，即使绞车电缆1500m，测井主机90V供电，绞车电缆用单芯作井下探管供电的电源正，探管也能正常工作。
表4
探管型号ZH1组合探管ZH2组合探管常规电源探管工作电压Vi、电流Ii26.5V
注：铠装电缆1000m，单芯电阻=85Ω左右
6结语
通过对电源模块的设计优化、实际应用说明：在仪器、仪表设计中，对小于60V的直流宽输入电压采用低压电源模块，对大于60V的直流宽输入电压采用输出可调电源模块与低压电源模块的组合可以让仪器仪表的电源电路设计简单、电压适应范围宽、电源转换效率高，同时它产生的工作电压稳定、精度高、温漂小、纹波也小。相信这两种电源模块的研制成功，将在仪器、仪表的设计、生产中得到广泛应用。
参考文献：
[1]阳林锋，庹先国，李怀良等.井中VSP供电系统启动可靠性分析与设计[J].中国测试. 2014,40(1):141-144.
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[3]容焱，王其岗. 高可靠性DC-DC开关电源的浪涌电流抑制电流设计[J]. 电源技术应用. 2011,14(7):43-50.
[4]胡洪飞，徐海萍，专祥涛. 宽范围输入电压电源设计[J]. 电测与仪表. 2011, 48(3):79-83.
[5]王 正、朱兴动.UC3843控制多路输出开关电源设计与实现[J].航空计算技术. 2004,34(2):88-90.
[6]王立伟，刘孝祖，贲洪奇等.适合地下工作的宽范围输入直流稳压电源的研制[J].通信电源技术. 2009,26(2):10-13.
[7]陈仁才，阳林锋，陈红. ZH1多参数组合探管的开发及应用[J]. 地质装备. 2013,14(5):32-35.
The Module Design of New Regulated Power Supply and its Application in Logging Equipment
CHEN Rencai1& YANG Linfeng2
(1. Chongqing Geological Instrument Plant, Chongqing 400033;
2. China Nuclear Power Research and Design Institute, Chengdu 610042)
Abstract：In this paper, the authors mainly introduce the design features and main technical specifications of adjustable regulated power supply with high wide voltage input & low pressure differential high voltage output and low voltage power supply with high power conversion efficiency, as well as the application of their combination in geophysical logging.
Key Words：geophysical prospecting; logging; constant voltage power supply ;application
