過鉆具陣列感應儀器開關電源方案設計*

*本課題為中國石油集團公司項目“多模式過鉆具成像測井系統(tǒng)現場試驗”項目編號2021ZS03

作者簡介：梁小兵（1978—），男，工學碩士，高級工程師，主要研究方向：感應測井儀器研制和微弱信號的采集與處理等，完成研制的儀器包括陣列感應儀器和三維陣列感應儀器。E-mail：liangxiaobing@cnlc.cn。

0   引言

過鉆具陣列感應儀器是用于石油勘探開發(fā)的高端成像測井儀器，是為特殊過鉆桿工藝和保護套施工工藝設計的特殊儀器，儀器發(fā)射功率較大，高效的開關電源對儀器開發(fā)意義重大。儀器的工作環(huán)境溫度為175 ℃，儀器的設計難點是儀器的電源系統(tǒng)設計，傳統(tǒng)線性電源由于效率低和發(fā)熱大的缺點，很難滿足設計要求。與傳統(tǒng)裸眼井陣列感應儀器相比，由于儀器采用電池供電，所以對儀器的供電系統(tǒng)提出了更高的要求。過鉆具陣列感應儀器屬于大功率電阻率成像儀器，儀器的總功率在25 W 左右，對下井儀器的供電系統(tǒng)提出了更高的要求。本文提出了開關電源解決方案，采用高頻開關電源技術，在儀器中大功率發(fā)射單元和數字電路部分采用開關電源設計方案，提高供電效率，同時應用EMC 技術，通過獨特設計的濾波單元，消除開關電源開關頻率對下井儀器中模擬電源部分的干擾，既提高了電源的效率，又保證儀器的測量精度。

1   過鉆具陣列感應儀器

過鉆具陣列感應下井儀器的工作原理是由發(fā)射線圈向地層發(fā)射激勵信號，由接收線圈接收來自地層的二次感應信號，提取地層有用信息，用于分析泥漿侵入、各向異性地層識別^[1]和石油儲層評價等^[2]。

過鉆具陣列感應儀器的構成框圖如圖1 所示，主要包括電子線路和探頭兩大部分。電子線路部分由通信模塊、數字處理模塊、前放模塊、電源模塊、發(fā)射模塊和泥漿電阻率模塊構成，探頭部分主要包括發(fā)射和接收線圈系。

圖中前放模塊實現對微弱信號60 dB 增益放大，對電源噪聲要求較高。其他功能模塊為數字電源供電，其中發(fā)射模塊對發(fā)射線圈提供激勵信號，是儀器的主要功耗單元。過鉆具陣列感應線圈系結構如圖2 所示。

圖2 過鉆具陣列感應儀器線圈系框圖

2   傳統(tǒng)陣列感應儀器線性電源設計方案

傳統(tǒng)陣列感應儀器的電源系統(tǒng)采用線性電源供電系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

在線性電源系統(tǒng)設計中，電源效率低下，線性穩(wěn)壓器產生大量熱能，增加儀器工作的不穩(wěn)定性。井下儀器的供電來自井上發(fā)電設備經電纜傳輸至井下電源供電系統(tǒng)輸入端，對地面供電系統(tǒng)提出更高的要求，為了解決上述問題，我們提出開關電源的設計方案。

3   過鉆具陣列感應儀器開關電源設計方案

根據過鉆具陣列感應儀器的特點，我們把發(fā)射功率較大的±15 V 發(fā)射電源和數字電路供電部分的數字電源采用開關電源系統(tǒng)設計，強放電路模塊即對微弱信號進行強制放大處理部分的電路仍然采用線性電源設計方案。電源詳細設計方案框圖如圖4 所示。

4   EMI技術

過鉆具陣列感應儀器屬于高端精密儀器，其測量信號非常微弱，信號的量級只有幾十微伏，甚至幾十納伏，而且感應儀器信號頻率范圍從（20 ～ 120）kHz 的范圍內，容易受到開關電源頻率及諧波分量的影響；不好的電源系統(tǒng)設計會對原始信號產生很大的干擾，甚至完全淹沒，因此電源系統(tǒng)的設計就顯得尤為重要了。電源設計的主要任務就是利用EMC/EMI 技術，通過獨特設計的濾波單元消除開關電源模塊對模擬電源部分的干擾。

開關電源產生的EMI（electromagnetic interference）的根本原因是功率開關器件的高速開關動作（幾十kHz到幾兆Hz）^[3-5]，在其工作過程中的電流變化率和電壓變化率非常大，這種控制方式使得開關電源的EMI 頻譜主要分布在基波頻率和諧波頻率上。

為了抑制開關電源產生的EMI，可以通過調制PWM 開關信號，將集中在基波頻率和諧波頻率上的譜能量分散到邊帶頻率上，減小最大譜峰值，從而使開關電源可以較為容易地通過EMI 的相關規(guī)定，還可以通過使用復雜的噪聲濾波器和防護罩來降低開關電源的EMI^[6]。

按照途徑區(qū)分，高頻電源干擾發(fā)生特點可分為傳導干擾和輻射干擾，傳導干擾又可分為共模干擾和差摸干擾。輻射干擾主要為電磁輻射。差模信號由高頻工作電流、數字電路工作電流引起，可由旁路電容濾除；共模信號由高頻開關電壓經雜散電容傳播，可由共模濾波器濾除；電磁輻射經空間傳播，可由金屬屏蔽、破壞引出線天線效應濾除。

5   EMI技術在過鉆具陣列感應儀器中的應用

在過鉆具陣列感應儀器開關電源模塊設計中，采用同步整流技術使整流損耗降至1% 以下；利用磁耦合PWM 控制，保證電源模塊在高溫下的高可靠性；采用精確的原邊限壓設計，使控制輸出更加可靠。為了提高開關電源模塊的可靠性，增加了硬件冗余設計，包括電容、開關管等易損部件。使用定頻軟開關技術同時限制頻譜范圍，在電源模塊設計中對電源模塊本身金屬屏蔽，阻斷天線效應，內置基本濾波背板單元，大大降低了電磁干擾^[7-8]。

圖5 為過鉆具陣列感應儀器在實井測試中的原始數據曲線，儀器的原始信號變化范圍小于1 mS/m，滿足儀器設計要求，可見開關電源供電系統(tǒng)滿足設計要求。

圖5 過鉆具陣列感應測試曲線

6   結束語

本文分析了開關電源模塊電磁干擾產生的原因及其特點，設計了以EMC/EMI 濾波器為核心的解決方案，通過關鍵技術的設計和應用，消除了開關電源的電磁干擾，在過鉆具陣列感應儀器設計中進行了成功的應用。實驗結果表明，在下井儀器電源系統(tǒng)設計中，設計的一些關鍵技術可以有效抑制開關電源模塊對測量系統(tǒng)的電磁干擾，應用效果良好。

參考文獻：

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年11月期）