使用WEBENCH在线工具设计井下高温电源

胡永建,孙 琦,胡奕然

(1.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；2.北京市八一学校，北京 100080)

0 引言

在石油钻井时，需要为处于井下高温环境的仪器设备提供稳定、可靠的电源。高温锂电池是热电池向中低温度范围的拓展和延伸，在地热及井下探测等领域有广泛应用[1]。与可充电式锂电池相比，一次性锂电池具有单体电池电压高、能量高、存储寿命长、工作温度范围宽等优点[2]。

单体锂电池的标称电压为3.6 V，开路电压可高达3.7 V，而截止电压可低至2 V。为了提供稳定的直流输出电压，需要直流-直流(direct current/direct current,DC/DC)转换器完成稳压工作。对于宽输入电压的DC/DC转换器，开关电源的转换效率高于低压差稳压器(low dropout regulator,LDO)，降压型开关电源通过脉宽调制(pulse width modulation,PWM)技术调节输出电压，应用范围广泛[3]。

传统的开关电源优化设计依赖于人工计算、样机制作和调试，工作量大、难度高。美国德州仪器(Texas instrument,TI)新版在线电源设计工具WEBENCH Power Designer能够针对不同供电需求快速完成选型、定制、仿真及输出等工作。本文基于该工具设计的井下高温电源，输出电压为24 V，最大输出电流为0.5 A，能够耐受125 ℃高温，支持多达17节高温锂电池串联供电，转换效率高，具备软启动等多种保护功能，可以满足多数井下仪器的供电需要。

1 工作原理

井下高温电源的工作原理如图1所示。

图1 工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of working principle

一次性高温锂电池需经受滥用试验的考验：对于外部短路、强制充电、强制放电等滥用情况，锂电池不能爆炸及起火。为了确保安全使用并增加电池容量，锂电池组将同类型的多个单体电池串联后，再通过二极管并联为降压型DC/DC转换器供电。二极管的存在可以避免强制充电。DC/DC转换器的降压输出为外部设备供电。与LDO相比，降压型DC/DC转换器的输入电压必须比输出电压更高。对于24 V输出，输入电压一般不能低于27 V。图2给出了A、B两种电池在70 ℃和20 ℃时不同放电电流下的容量曲线。

图2 电池容量曲线Fig.2 Curves of battery capacity

由图2可知，一次性高温锂电池的容量与工作温度和放电电流相关。电池的放电电压与剩余容量、工作温度、放电电流相关，降低放电截止电压可以提高电池利用率。因此，需要针对宽范围输入电压，对DC/DC转换器进行优化设计。

为了提高性能及可靠性，现代DC/DC转换器已将PWM控制器集成在单一芯片内。为了提高工作效率，有的芯片甚至集成了开关管。此类DC/DC转换器具有复杂的功能和内部逻辑，有使能(enable,EN)、电源正常(power good,PGOOD)等多种控制信号。如图1所示，此类信号可以方便外部控制器实施控制：在不需要供电的时候通过EN信号关断电源；通过PGOOD信号判断供电是否正常等。

2 设计目标

本文设计的高温电源输出电压为24 V，最大输出电流为0.5 A，可满足定向、伽马、电阻率等多数井下仪器的供电需求。具体设计目标：额定输出电压24 V，额定输出电流0.3 A，最大输出电流0.5 A，最高环境温度125 ℃，具有电源使能控制功能，带电源正常指示，软启动保护时间5 ms，具备过热、过流及欠电压保护功能。

本设计所选一次性高温锂电池标称容量为28 A，最大持续放电电流为1.5 A，最高工作温度为145 ℃，内部带有7 A的超快熔断保险丝用于短路保护。不同数量的锂电池串联可以提供不同容量，满足不同时长的供电需要。串联电池节数越多，供电时长配置越灵活(还可通过电池组的并联增加容量)；电池放电截止电压越低，越能够提高锂电池的利用率(一次性高温锂电池价格昂贵)。TI的DC/DC转换器芯片的最大输入电压已经能够达到100 V，如LM5116、LM5164等。

3 DC/DC转换器设计

TI在2011年收购了美国国家半导体公司后，扩充了电源管理产品线，可提供2 000余种DC/DC转换器的芯片及模组，同时提供免费的WEBENCH Power Designer在线电源设计工具。

WEBENCH Power Designer已有近二十年的发展历史。利用该软件能创建稳压器的原型，使设计者不经过样机制作就能解决在设计稳压电源中可能遇到的技术问题[4]。新版WEBENCH Power Designer摒弃了之前复杂的基于按钮的操作流程，能大幅降低学习门槛，并缩短设计时间。新设计流程以选型操作为基础，经过定制、仿真及导出三步操作，就可以生成设计报告。新版在线设计工具支持多种优化设计，如最大效率、最小尺寸、最低价格等方案；对于多种设计方案，还提供了不同的筛选器来筛选具体方案。筛选器包括稳压器类型、控制模式、芯片特性等。筛选结果以方案卡片或列表的方式列出。用户可以根据筛选结果列出的元器件尺寸、数量及成本等，比较各方案优劣。

3.1 选型

基于WEBENCH的电源设计从器件选型操作开始。启动在线设计工具，选择DC/DC电源开始设计。输入设计参数(输入电压为27～65 V、输出电压为24 V、最大输出电流为0.5 A、额定输出电流为0.3 A、环境温度为125 ℃、软启动时间为5 ms、按照最大效率优化方案)，系统可自动筛选出满足条件的设计方案。如果方案不止一个，在选型页面还可以通过筛选器作进一步选择。

满足当前设计目标的方案只有一项，即LM5166器件组成的开关电源。这与通过TI产品清单所带的筛选器得出的结果一致，也可以通过输入器件型号直接开始设计。TI LM5166是具有超低待机电流的同步型降压转换器，采用易散热的10脚塑料小外形无引线封装。其最大输入电压为65 V，最高结温为150 ℃，可选恒定导通时间(constant on-time,COT)或脉冲频率调制(pulse frequency modulation,PFM)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。在COT模式工作时，65 V输入电压，5 V@0.3 A输出时的转换效率依然高达86%。LM5166具有满足设计目标的功能及各类保护，可以提高井下作业的可靠性。

完成选型后即可进入定制步骤。WEBENCH Power Designer的定制界面提供了原理图、印刷电路板(printed circuit board,PCB)布局布线及物料清单(bill of material,BOM)，同时提供了计算得到的电路运行值和能够反映设计特征的运行值曲线图。

3.2 定制

3.2.1 原理图相关内容

设计方案原理如图3所示。

图3 设计方案原理图Fig.3 Schematic diagram of design scheme

从原理图中可以看到:引脚5电阻(resistor,RT)选择通过Rt电阻接地。此时选择COT模式。如果直接接地，则选择PFM模式。

引脚4软启动(soft start,SS)的Css电容定义了软启动时间tss，由式(1)计算。

Css=8.1×tss

(1)

式中：Css为软启动电容,nF；tss为软启动时间,ms。

当Css为47 nF时，软启动时间约为5.8 ms，满足设计参数的需求。

在COT模式下，引脚3电流限制(current limit,ILIM)接地时最大输出电流为500 mA。

引脚8反馈(feedback,FB)输入的反馈电压通过Rfbt与Rfbb组成的分压网络提供。它们与输出电压的关系由式(2)确定。

(2)

式中：Rfbb为底部的分压电阻，固定为124 kΩ；Rfbt为顶部的分压电阻。

当Rfbt为2.32 MΩ时，输出电压UOUT为24.1 V，满足设计要求。

滤波电感L1与流经电感的纹波电流相关，输出电容和转换器输出的纹波电压相关。由于本井下高温电源对纹波电压要求不高，因此得到的方案中没有输出电容，且采用了类型1(最低成本)的由Resr和COUT组成的纹波网络。其他类型的纹波网络可以得到更小的输出纹波电压。

值得注意的是，原理图上同时标出了与转换效率相关的电容等效串联电阻(equivalent series resistance,ESR)和电感直流电阻(direct current resistor,DCR)。一般来说，电容ESR越低(高Q值)损耗越低、价格越高；电感DCR越小损耗越低、尺寸越大。该标注方便了效率、成本及尺寸之间的相互平衡。

PCB布局与电源完整性设计密切相关[5]。本文PCB采用四层板设计。PCB布局如图4所示。

图4 PCB布局图Fig.4 PCB layout diagram

由图4可以看到，PCB大量使用了大面积敷铜，保证了良好接地和功率输出，与该芯片手册给出的建议一致。

最后，可以查看物料清单。BOM中的每一种器件都给出了厂家及具体型号，同时给出了报价和封装尺寸，还可以下载器件手册。此外，设计工具提供了一系列替代器件，用户可以根据供货等情况加以选择，选择完成后重新计算，以评估结果。

计算结果以运行值及曲线图的方式显示。

3.2.2 运行值及曲线图

运行值包括输出电压、占空比、开关频率、转换效率等多项系统参数，以及芯片、电容、电感及功率方面的多项参数，用于与设计目标进行比较。

以开关频率为例，RT引脚连接的电阻Rt不仅用来选择COT模式，也确定了开关频率。

(3)

式中：Rt为RT引脚的模式选择电阻，kΩ;UOUT为24 V输出电压，V;FSW为开关频率，kHz。

当Rt为1.4 MΩ时，FSW约为97.95 kHz。该结果与设计工具计算得到的运行值97.96 kHz一致。

以转换效率为例，图5给出了转换效率与输出电流的关系。

图5 转换效率与输出电流关系图Fig.5 The relationship between conversion efficiency and output current

从图5中可见，对于27～65 V的宽范围输入电压，在大于50 mA的输出电流情况下，该方案始终具有高于94%的转换效率。由于WEBENCH Power Designer可以根据方案的优化倾向，从低成本、高效率、小尺寸及综合平衡等方面进行优化。在定制页面，既可以更改优化倾向，又可以更改软启动时间等配置选项重新计算。为了进一步评估计算结果，设计工具提供了多种仿真手段。

3.3 仿真

在上一版本的设计工具中，不仅包含了基于通用模拟电路仿真(simulation program with integrated circuit emphasis,SPICE)的直流及瞬态电仿真工具，还包含了基于TI WebTHERM专有技术的热仿真工具。但新的测试版尚未包含热仿真。新测试版包含启动、负载瞬态、输入瞬态和稳态等4种电仿真，仿真的条件参数直接显示在原理图中，仿真结果显示在波形图中。图6给出了启动仿真结果。

图6 启动仿真结果Fig.6 Simulation of start-up

设定的输入电压在0.02 ms内从0 V跃升到46 V。从图6可见，输出电压在经历微小的起伏震荡后一路线性上升到24 V，上升时间约为5 ms。这种软启动有利于保护负载。如果需要进行热仿真，目前还要使用上一版的设计工具。

3.4 导出

所有数据(包括原理图、PCB设计图、BOM、计算及仿真数据)都可以导出，用于测试调试、生产制造及器件采购。其中：原理图、PCB及仿真数据可以导出为Alitium Designer、Candence OrCAD等格式，通过Ultra Librarian软件得到器件的库文件。仿真数据也可以导出为TINA-TI的电路图，用作进一步仿真分析。TINA-TI软件是TI与DesignSoft共同开发的、基于SPICE技术的电路仿真软件。

4 系统设计

使用WEBENCH Power Designer完成DC/DC转换器设计后就可以进行系统设计。图7给出了系统电路图。

图7中：引出了控制信号;EN输入信号只需大于1.22 V,即可启动转换器;PGOOD引脚在芯片内部是开漏输出，需要通过电阻上拉到接口电压UIO，与外部控制器接口电平相匹配。

图7 系统电路图Fig.7 System circuit diagram

对于27～65 V输入电压，允许接入的锂电池数量最多为17节。假设锂电池放电截止电压为2 V，允许接入的最低数量为14节。可以通过将串联的电池组接入二极管并联来增加电池容量，延长供电时间。常规整流二极管有较大导通压降，会浪费宝贵的电池电能。这里采用了TI的理想二极管SM74611，其2 A@125 ℃时的平均正向电压不到50 mV。

5 试验验证

在钻井过程中，随着井深增加地层温度不断上升，平均地温梯度为3 ℃/100 m。垂直井深3 000 m时，地层温度约为125 ℃。由于钻井液的循环冷却作用，实际可用垂深要更深一些。温度特性是井下高温电源的重要特性。

图8 不同温度下的输出电压Fig.8 Output voltage at different temperatures

为了测试不同温度下井下高温电源的输出电压，使用AMETEK JOFRA RTC-250B标准干体炉提供温度环境。该设备最高设定温度可达250 ℃，使用双区控温，温场范围大、稳定性高。与常规控温箱和温度槽相比，干体炉升降温速度更快。输入电源为KeySight N5771A直流电源，最高输出电压300 V，电流5 A。负载为KeySight N3300A直流电子负载，配N3303A 250W电子负载模块，使用恒定电阻模式。另外，使用KeySight 34411A 6 1/2位数字多用表辅助测量。

图8给出了不同温度下该高温电源的输出电压。此时，负载电阻设定为80 Ω，高温电源额定输出电流约为0.3 A。

随着环境温度上升，输出电压变化幅度不大，仅在120 ℃时出现了较大跌落。其原因在于芯片结温升高。该结果满足井下仪器的供电需求。中石油工程技术研究院研制的高频磁耦合有缆钻杆系统使用了同类型井下高温电源。经历大庆油田、吉林油田的多次现场试验，高温电源工作正常。

6 结论

电源设计历来是耗时多、难度大、成本高的一项工作。随着新型集成电路的不断推出，设计工作已经大为简化。但由于电源设计的复杂性，如开关电源就有降压、升压、半桥、全桥等多种拓扑方式，优化因素包含输入电压范围等设计参数，加上对转换效率、尺寸、成本的优化及权衡，设计依然复杂。本井下高温电源使用WEBENCH Power Designer在线电源设计工具，简化了DC/DC转换器设计工作，达到了设计目标。