基于TPS2121的井下自动供电装置设计

2020-06-17胡永建李显义黄衍福

石油钻探技术 2020年2期

胡永建，李显义，黄衍福，刘瀛

（中国石油集团工程技术研究院北京石油机械有限公司，北京 102206）

在为井下随钻测量仪器供电过程中，供电设备会因电池失压而重新启动，导致数据丢失或逻辑关系紊乱。无缝切换技术可以在电池失压时自动切换到备用电池，使负载电压保持基本稳定[1]。对于一次性高温锂电池供电的井下随钻测量仪器，由于受输入电压限制，单个串联方式的锂电池组容量往往不能满足仪器的供电需求。为扩大电池容量，可将多个串联电池组并联起来延长供电时间，同时，为防止锂电池强制充电，使用二极管隔开每组电池[2]，以满足无缝切换的要求。但由于优先使用最高电压的电池，所有串联电池组是同步均匀放电的，每次起钻后每组电池的剩余电量大致相同，下次施工时，为了保证供电容量，需要更换全部电池组，导致使用成本较高。

目前常用的供电管理控制方法是使用微控制器执行无缝切换操作[3]，笔者使用该方法设计了随钻测量仪器的锂电池优化供电方法[4]。微控制器采集各电池组的供电电压，自动判断并优先使用电压较低的电池组。起钻后只需要更换电量耗尽的电池组，未用的或剩余电量较多的电池组可以在下次施工时继续使用。但该方法通过定时采集电池电压进行判断，不适用于电池故障等导致的瞬间失压，也占用了宝贵的微控制器资源。为此，笔者基于美国Texas Instruments（TI）公司的具备无缝切换功能的优先级电源复用器芯片TPS2121，设计了不占用微控制器资源的井下自动供电装置，可以依次使用高温锂电池组，当前电池组的电量耗尽后可以自动顺序切换到下一电池组，电池组失压时能自动无缝切换使用其他电池组。

1 TPS2121 电源复用器

电源复用方案有分立、半集成和全集成等方式，使用二极管、理想二极管、eFuse（电子保险管，内部开关管为场效应管）和负载开关等器件[5]。其中，全集成方式电源复用无需微控制器，而是按优先级自动切换电源。TI公司推出的TPS212x系列电源复用器芯片支持自动与手动切换，其中TSP2121支持外部电压基准，是井下自动供电装置的核心器件，其功能模块如图 1 所示[6]（图 1 中：BFET1，BFET2，HFET1和HFET 2为N沟道场效应管；UREF为内部基准电压，V；UOFST为偏置电压，V；IN1和IN2为2路电源输入引脚；PR1为优先级使能引脚；CP2为比较器使能引脚；OV1和OV2为电源输入过电压保护使能引脚；ST为电源选择状态指示引脚；SS为输入延迟及输出软启动时间设定压引脚；ILM为输出电流限制引脚；OUT为电源输出引脚；GND为接地引脚）。

图 1 TPS2121功能模块示意Fig.1 Schematic of TPS2121 functional module

TPS2121是一个双路输入（IN1和IN2引脚）、单路输出（OUT引脚）的电源复用器（MUX）。器件内部有2路电源开关，每路开关由背靠背的2个N沟道场效应管（N-FET）组成，具有防输出电流倒灌的反向电流阻塞功能，N-FET由内部逻辑通过栅极驱动器来控制导通与截止。2路电源开关不能同时导通，其导通状态以开漏方式在ST引脚输出。

TPS2121内部集成了多个具有迟滞电压比较功能的施密特触发器，用于实现电源切换逻辑及1、2路电源的过压保护（OV1、OV2）。内置温度传感器用于超温保护（OTP），并具有限流（ILM）和软启动（SS）保护功能。在供电输入侧实现过压、限流及软启动保护，有利于下游负载的工作安全。

TPS2121具有输入电压比较器（VCOMP，即自动选择高电压输入）、外部比较器控制方案（XCOMP）及外部电压基准控制方案（XREF）等3种工作模式。通过IN1，IN2，PR1及CP2引脚共同配合完成输出电源选择，其逻辑真值见表 1（表 1 中：UIN1，UIN2，UOV1，UOV2，UPR1和 UCP2分别为 IN1，IN2，OV1，OV2，PR1 和CP2引脚电压，V；UUV为欠压保护电压，V）。

输入电源电压在高于欠压保护电压（2.55 V）低于过压保护电压（由外部设定）时被认为有效，如果只有1路电源有效，则输出自动选择该路电源，如果2路电源均无效，则器件输出为高阻状态。输出为高阻或IN1时，状态指示引脚ST输出为高电平。

当CP2引脚输入电压小于UREF（1.06 V），器件进入VCOMP模式，此时器件自动选择电压较高的一路。当CP2引脚输入电压高于UREF时，如果PR1引脚的输入电压也高于UREF，器件则进入XCOMP模式，此时根据PR1与CP2引脚电压的高低（优先级）来选择输入电源。此时，如果将CP2输入电压设定为外部基准电压（＞UREF），PR1的比较对象就成了精度更高的外部基准电压，这样就能准确判断PR1的电压切换阈值，同时启动切换时间短至5 μs的快速切换模式，实现电源的优先级无缝切换，也就是XREF模式。

2 井下自动供电装置工作原理

与可充电式锂电池相比，随钻测量仪器所用的一次性高温锂电池具有单体电池电压高、比能量高、存储寿命长和工作温度范围宽等优点[7]。单个锂电池的标称电压为3.6 V，开路电压可达到3.7 V，而截止电压可低至2.0 V。电池剩余电量与电池供电电压有关，也与放电电流及使用温度有关，仅通过供电电压难以准确判断剩余电量。一种比较简便的方法是用截止电压作为判断电量耗尽的依据。

为延长供电时间，需要为随钻测量仪器配备多个电池组，一组电池的电量耗尽（输出电压低于截止电压）则自动切换到下一组，使电池利用率最大化。

图2所示为井下自动供电装置的工作原理。井下自动供电装置支持多路电池输入，图2中绘出了4路电源输入（BATT0—BATT 3为4路输入的串联电池组）。

表 1 TPS2121输出选择真值Table 1 TPS2121 output true value selection

图 2 井下自动供电装置工作原理示意Fig.2 The working principle of downhole automatic power supply device

井下自动供电装置包含基于TPS2121的3个自动切换开关，每个自动切换开关输入端的上面一路是第一路，依次使用BATT0—BATT3等4组电池。每个自动切换开关都具有独立的保护及自动选择功能，可以按顺序自动选择输入电源。TPS2121的导通电阻低至56 mΩ，选用的一次性高温锂电池最大输出电流为1.5 A，即两级开关的器件耗散功率小于0.1 mW，有助于节能和降低器件工作温度。电池的不稳定供电经DC/DC转换器由电源输出端口为下游负载供电。每个自动切换开关的开关状态由状态输出端口输出到外部，可用于判断当前电池组的使用情况，以便更换电池组。

自动切换开关需要从2路输入电源中顺序选择使用。TPS2121的VCOMP模式自动选择较高的电压，与二极管方式的电源复用类似，这里不适用。对于XCOMP和XREF模式，选用精度更高的XREF模式，与PR1优先级监视器的精度±5%相比，CP2外接电压基准的精度优于1%。

自动切换开关电路如图3所示（图3中：RPR1a和RPR1b为优先级分压电阻，Ω；ROV1a和ROV1b为IN1过压保护分压电阻，Ω；ROV2a和ROV2b为IN2过压保护分压电阻，Ω；RILM为输出电流限制电阻，Ω；CSS为软启动电容，F；UOUT为输出电压，V；UREF_EXT为外部基准电压，V；C1和C2为滤波电容，F；U1和U2为集成电路的编号）。

由于供电需求及器件的耐压限制，TPS2121容许的输入电压范围是2.8～22.0 V，极限最高电压是24.0 V。由于采用电池供电，按照单个高温锂电池最高开路电压3.7 V计算，最多可以串联5节电池，此时截止电压约为10 V。

图3中CP2引脚接入外部电压基准TI REF5020，其输出即外部电压基准UREF_EXT为2.048 V[8]。

由电阻RPR1a和RPR1b组成的分压网络接入到第一路电池输入IN1，其分压输出到优先级判断引脚PR1。对于XREF模式的控制逻辑，当IN1输入满足供电需求，优先使用该路电池，仅当IN1输入电压低于设定阈值，TPS2121器件自动切换到IN2输入。

图 3 自动切换开关电路Fig. 3 Automatic switch circuit

3 井下自动供电装置系统设计

3.1 优先级控制

优先级引脚PR1的电压确定了IN1与IN2电源切换的最小电压设定阈值。对于XREF模式，电阻RPR1a和RPR1b串联组成分压网络，电阻RPR1b上的分压即为PR1引脚电压，计算公式为：

UPR1为外部电压基准UREF_EXT的最大值（约为2.05 V），UIN1为串联电池组的放电截止电压，如果是5节电池串联，则UIN1为10 V。分压电阻RPR1b可选为 5 kΩ，此时计算可得 RPR1a约为 19.39 kΩ，选择 19.6 kΩ 标准电阻，此时 UIN1约为 10.09 V。选用较大的UREF_EXT与RPR1a，可以提高供电的冗余度。

3.2 无缝切换

对于XREF模式，CP2引脚的外部基准电压UREF_EXT高于内部基准电压UREF，此时TPS2121启动快速切换模式，可以在5 μs内完成电源无缝切换，以防止下游负载复位。TPS2121使用先断开老电源再连接新电源的切换方式，其目的是防止新电源的电流倒灌进入老电源，即反向电流阻塞（RCB）功能。TPS2121控制内部开关管，在断开失压的老电源后，只有检测到负载电压降低到不高于备用新电源 25 mV（URCB）时才完成切换。

为了说明先断开再连接电源复用方式的特点，将2个eFuse器件通过半集成方式组成电源复用电路，图4所示为该电路在切换过程中负载电压和电流的变化情况（IIN1为IN1引脚的输入电流，A；IIN2为IN2引脚的输入电流，A；UOUT为OUT引脚的输出电压，V；UPG为TPS2121电源正常状态引脚的输出电压（低电平表示输出电压正常），V）。

图 4 切换过程中负载电压和电流的变化Fig.4 Changes in load voltage and current during switching

从图4可以看出，IN1失压后该路eFuse切断，输出电流IIN1下降至0，加到负载的输出电压UOUT基本呈线性下降。UOUT的最小值由下式确定：

式中：UOUT,MIN为输出电压UOUT的最小值，V；USW为切断该路电源开关时的输出电压，V；UDIP为输出电压的跌落值，V；tSW为切断时长，s；IOUT为负载电流，A；COUT为负载电容，F。

UDIP反映了负载电容放电带来的压降，与tSW和IOUT成正比。较大的负载电容使电压跌落更小，更有利于无缝切换。

随后开启IN2的eFuse，输出电压回升。由于负载电容的存在，当IN2电源投入运行时，如果电源电压高于负载电压，该路电流（IIN2）会产生一个短时冲击电流：

式中：IINRUSH为冲击电流，A。

冲击电流缘于负载电容放电，与负载电容成正比，输出电压变化越快，冲击电流越大，这是快速切换模式的“副作用”。如果IN2的引线较长，引线的分布电感会抑制该冲击电流的产生，使负载输出电压不能及时回升，此时增大IN2的输入电容并减少引线长度，有利于减少电压跌落。

在正常运行的高温锂电池组切换过程中，IN1的电池组放电到截止电压时才切换到IN2的新电池，切换期间负载电压不会降低，切换时间更短。切换到IN2后，由于供电电压高于负载电压，会产生如图4所示的冲击电流。为了限制冲击电流，TPS2121集成了限流保护，可以防止冲击电流过大。

3.3 保护措施

TPS2121具有限流、软启动、超温及过压保护功能。其中，ILM引脚外接的电阻可用来限制电流，最大限制电流可由以下经验公式确定[6]：

式中：IILM为ILM引脚最大限制电流，A；RILM为ILM引脚外接电阻，Ω。

对于TPS2121，RILM为17～80 kΩ。当接入IN1或IN2电源时，为了避免电压冲击，由SS引脚外接电容CSS确定软启动时间。查阅相关器件手册可知，输入电压 12 V 时，100 nF 电容的电压上升速率约为 800 V/s。

IN1输入的电压由OV1引脚的电压确定，IN2输入的电压由OV2引脚的电压确定，并由此实现过压保护。与优先级控制的电阻分压网络类似，输入电压由以下公式确定：

式中：UOV为最大输入电压，V。

电阻ROVa与ROVb组成串联电阻分压网络，电阻ROVa上的分压UREF为芯片内部参考电压（1.06 V）。当某一路输入电压产生过压时，器件自动切断该路电源，其对应的逻辑关系见表1。

3.4 状态输出

井下自动供电装置的多路电池组通过TPS2121芯片自动切换供电，无需微控制器控制。通过判断每个自动切换开关的开关位置，就可以确定当前使用的是哪一组电池。对于如图2所示的4路电池组供电，需要输出3个开关状态；如果电池组数量扩展到8路，需要输出7个开关状态。

可以通过外接LED人工判断开关状态，也可以由微控制器检测开关状态，实现电池使用情况的自动查询功能。

3.5 DC/DC转换器

根据使用输入电压范围、最大输出电流和转换效率等参数，有多种DC/DC转换器方案可供选择。井下自动供电装置选用了TI LM5166，该器件具有超低待机电流的同步型降压转换器，其最大输入电压为65 V，可选COT（恒定导通时间）或PFM（脉冲频率调制）控制模式，前者开关频率不变、转换效率高，后者能够提高轻负载时的效率[9]。可以利用TI公司的新版在线电源设计工具WEBENCH Power Designer快速完成选型、定制、仿真及输出等工作。

具体电路如图5所示（图5中：VIN为电源输入引脚；EN为芯片使能引脚；PGOOD为电压输出正常状态指示引脚；HYS为欠压保护引脚；RT为模式选择引脚；PAD为芯片底部的散热板；SW为开关节点输出引脚；FB为输出电压反馈引脚；PowerOut为转换器输出；U3为集成电路编号；L1为电感编号；CIN为输入端的电容，F；RRT为模式选择引脚所接电阻，Ω；RFBt和RFBb分别为分压电阻网络顶部、底部的电阻，Ω；Resr为等效串联电阻，Ω）。

图 5 DC/DC转换器电路Fig.5 DC/DC converter circuit

RT引脚直接接地，选择PFM模式；通过电阻RRT接地，选择COT模式。电阻RFBt与RFBb组成电压反馈分压网络。额定输出电压5 V，额定输出电流0.3 A。输入电压为10.0～18.5 V时，其转换效率可达90%以上。SS引脚连接的电容CSS为软启动控制电容，软启动时间设定为6 ms。电阻Resr与电容COUT组成输出均衡电路。

4 室内测试与现场试验

4.1 室内测试

现场试验前，首先对井下自动供电装置进行了实验室测试。图6所示为电源切换试验装置（图6中：N5771A为KeySight N5771A直流电源；N3300A为KeySight N3300A直流电子负载），其工作原理与图2所示类似。2台N5771A组成2路输入电源，最高输出电压300 V，电流 5 A。N3300A 作为负载，配备 N3303A 250 W 电子负载模块，使用恒定电阻模式。负载电阻设定为10 Ω（最大输出电流 0.5 A），输出电压为 5 V。另外，使用KeySight 34411A6 1/2位数字多用表辅助测量。

图 6 电源切换试验装置Fig.6 Power switching test device

测试发现，在切换过程中，无论是切换哪个电源，输出到电子负载的输出电压均保持不变，实现了无缝供电的电源复用。这说明该井下自动供电装置工作原理可行，系统设计正确。

4.2 现场试验

按照工作原理，井下自动供电装置可用于各类随钻测量仪器。设计完成后，首先将其与高频磁耦合有缆钻杆（信息钻杆）中继器进行了配套试用。

信息钻杆是中国石油北京石油机械有限公司研制的高速井下网络通讯系统，配备了多个功率较大的井下中继器，用于通讯和参数测量。虽然采用涡轮发电机可以降低供电成本[10]，但其只能用于井底，而分布在井筒各处的信息钻杆中继器需要用高温锂电池供电[11]。之前，在大庆油田、吉林油田也试验过使用微控制器执行无缝切换操作的锂电池优化供电方法，发现使用微控制器控制电源切换，虽然功能正常，但由于不能解决电池故障导致的瞬间失压问题，存在隐患。

为了验证基于TPS2121的井下自动供电装置的使用效果，在大庆油田进行了现场试验。试验同时使用12个中继器，中继器在出厂时即开启了自动供电功能，试验期间（试验2周，入井2 d）供电正常。回厂测试发现，每个中继器仅前2组电池电压下降较大，其他电池组电压变化不大，说明井下自动供电装置工作正常，达到了设计要求。