随钻仪器的电源控制系统设计

2016-08-29连云港杰瑞自动化有限公司

电子世界 2016年15期

连云港杰瑞自动化有限公司　阮　强

随钻仪器的电源控制系统设计

连云港杰瑞自动化有限公司阮强

为保障随钻测井仪器能够在高温、高压等复杂环境下安全、长时间工作，需要高效，稳定的电源系统。本系统根据电池性能，随钻仪器的供电特点设计了电源控制电路，电源保护电路，经实验证明，系统稳定、转换效率高、抗干扰能力强，能够满足随钻测井仪的工作要求。

随钻测井仪；电源；高效

引言

随钻测井的测量功能基本上涵盖了有线测井仪器的绝大部分功能，有替代常规完井的趋势，是以后测井发展的方向。国内随钻测井仪器现在供电方式主要为电池供电，而电池就受到工作时间，功耗，电源转换效率等制约，还必须考虑仪器的长度选择合理的电池容量，这就使其中的电源控制系统成为仪器中非常重要的部分，这部分的可靠性和稳定性直接影响到整套仪器的性能。

1　电源控制简述

在实际应用中，电池往往都是以串联的方式连接，其优点是可以保证仪器需求的电压，但是缺点也是很明显的，电池串联时，内阻相互迭加，形成内阻损耗，容量下降，而且串联充电的话，要是有一个电池性能差一点，整个电池组的性能就会一起变差，所以我们需要在内阻损耗和DC-DC转化损耗中选择一个最佳的平衡点，即损耗最小的搭配。经过试验，我们选择了并联为主，串联尽量少的低电压方式。

在电源的传输部分，为减少传输损耗，结合仪器的信号传输方式，我们选择了24V电压。电源的传输方式如图1。当24V电池接入测井仪电源后，经电池开关一路进入降压芯片组，降压产生电路所需的各种直流电压，首先供电源控制模块电路使用；一路进入24V转±24V模块，等待转换。单片机接受到降压芯片组提供的电压后，上电，单片机启动。

单片机启动后，首先对各电源及已经产生的各电压进行巡检，巡检到的电压有：电池输入电压，降压芯片组产生的各种电路所需电压。巡检正常后，单片机进入待机状态，等待主机供电命令。

启动供电电路后，一端向已加电的仪器供电，另一端判断是否有仪器与之相连，如果检测到有仪器连接，则向其输出±24V电压。在测井的过程中有部分仪器并不需要一直工作，所以可以根据主机的命令停止这些仪器的供电，延长电池的使用时间。

图1　

2　电源DC/DC转换

电源模块可以按照功能分为以下几个子模块：电源模块设计，电池开关设计，过压过流保护设计，探测下一级仪器设计。

2.1电源模块设计

仪器工作作需要5V，±12V电源，部分FPGA和单片机需求更多的1.2V、1.5V、3.3V供电电源。

精密电源电路引入电源输入，数字地和负电压变换的时钟信号，经过一系列电压变换和稳压环节，得到电路工作所需的+3.3V、+2.5V、-2.5V、+1.8V、+1.2V电源，并且分出数字地GND和模拟地AGND。主要包括LTC1844、LT1964、REG101等电源芯片。

LTC1844是一款150mA、微功率、低噪声、VLDO线性稳压器。它具有一个1.6V至6.5V的宽输入电压范围。可进行非常低压差操作（30mV/50mA和90mV/150mA）。电源电流仅为35μA，即使在压降条件下也不例外。10Hz～100kHz频率范围内的噪声仅为30μVrms，并在整个温度、电压和电流范围内具有1.75% 的电压准确度。

LT1964是一款体积较小，噪声较低的负电压芯片。这款芯片主要是面向需要规则的负电压，同时对体积、噪声干扰要求非常严格的器件，例如手提式医疗设备、测试仪器等等。 LT1964芯片的输入电压范围可以从-1.8V到-20V，芯片的输出可以是稳定的-5V，也可以通过调整，输出范围可以从-1.22V到-20V，芯片的最大输出电流为200mA，损耗的电压降为300mA。在工作时，芯片的静态电流为30μA，关断的状态下，芯片的静态电流为3μA。在10Hz到100kHz的频率范围内，LT1964芯片的噪声低于30μVRMS，满足了对噪声敏感器件的要求。

REG101为TI公司利用其独有的DMOS技术，在一个SOT23元件封装中，提供无电容的工作模式以及最小的输入/输出电压降，即输入/输出之间的电压差很小仍可正常工作；其中REG101在100mA下的输入/输出最小电压差为60mV。由于这个元件的最低工作电压可达到1.8V，因此对使用电池的应用产品来说，可延长电池的供电时间。

图2　

2.2电池开关设计

电池开关的作用是控制电池的输入。电池开关一般是常开状态，电池接入后，电能经电池开关进入仪器电源控制系统。当需要切断某一路电池时，由单片机发出指令，电池开关执行动作，切断电池。

电池开关主要由两个MOS管组成。具体设计为，电池的负极通过MOS管FDS8928与地相连。MOS管TN2460，S极接地，D极接MOS管FDS8928中N通道的G极，G极接控制。控制时，给G极高电平，D极和S极导通，也就是说，FDS8928中N通道的G极接地，对于FDS8928的N通道，当G极接地时，D极与S极断开。即电池的负极与地断开，电池被切断。

2.3过压过流保护电路设计

电源中需要测控的信号有：电池的输入电压+12V；输出电压± 24V；max1775降压芯片组产生的5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V；以及以上电压产生的相关电流。

以上电压中输入电压+12V、max1775降压芯片组产生的各电压以及它们相应电流经流压转换后的电压，通过多路复用器ADG708BRU，经单片机逐路选通后进入单片机带有A/D转换的输入端，输出电压±24V经分压后直接接入单片机带有A/D转换的输入端，各电压经A/D转换后，与预设值比较。电路图中的集成运放LM7301芯片及其周边电阻把转换来的电源信号进行加和，这个加和信号将送给硬件电路作为精密电源的电压监视信号

电池短接一般有两组高温锂电池，当其中一组电池电压超过预设范围时，单片机控制进行电池切换。首先打开另一路电池开关，然后向该路电池开关的控制端发出高电平，切断其供电。

当电源中突然有大电流出现时，交叉站电源中的保险丝直接熔断，电路被切断。