宽输入电压范围小功率直流稳压电源设计
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ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ ·技 术 交 流
宽输 入 电压 范 围小 功率 直流稳 压 电源设 计
西安石 油大学 郭文旭 魏 晴晴 王 潇
【摘要 】在导向钻井系统中，井下导向工具需要由受钻井液驱动的涡轮 电机供 电。由于钻井液流量需满足钻 井工程 的要 求 ，故钻井液流量会有一个较 宽的变动 范围 ，对应地 ，井下直流 电源也 必须适应输入 电压的 宽范 围变化要 求 ，维持稳 定 的电压输 出。采 用脉 宽调制技 术设 计 了一 个 小功 率的 直流稳压 电源 ，其 交流输 入 为 １２Ｖ一６４ＶＡＣ，输 出为１２ＶＤＣ。该 电源 由输入 电压检 测 、前馈控 制运算 、脉 宽调 制控制 、稳 压滤波 等部 分所
电源是一件 比较有价值的事
输 入 电压 的检 测 信 号 ， 电压信 号 送 入 控 制 运 算 电
路 ，经 过信号 运算处 理 ，得 到与输入 电压成 反 比的
１ 工作原理
ＰＷＭ控 制输 出，即输入 电压增 大时相应 的输 出信 号
的 占空 比减 小，对ＭＯＳＦＥＴ进行ＰＷＭ开关控制 ；从
电源包括 三大 部分 ：第一 、整流 部分 ，利用 四 而获得低 纹波的稳压输 出 。
基金项 目：陕西省 大学生创新创 业训 练计划 资助项 目 （项 目编号 ：２０１４１０７０５１０３２）。
ｕＬｍ－７－ｔＭＲｔ ·１９７·
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ ·技术 交流
图２脉宽调 制电路
构成 ，讨论 了电路原理 ，给 出了详细的 电路设计 ，．实验验证 了设计是 可行 的。 【关键词 】直流稳压电源； 宽电压输入范围；ＰｗＭ控制器；前馈控制 ；
个 二 极 管集 成 而成 的整 流 桥进 行 整 流 ， 将 变 压器
０ 前言
次级交 流 电压变 换为 单 向脉 动 的直流 电压 。第二 、
当输入 的采样 电压增大时 ，相对应 的ＳＧ３５２５输 ３ 总结 出ＰＷＭ波 占空 比也相应增大 。而在此我们要选择合
适 的Ｒ５和Ｒ６，以及Ｃ２，脉宽调制 电路如 图２所示 。
在输 入 电压 １２Ｖ～６４ＶＡＣ的输入 范 围内，ＰＷＭ
当ＳＧ３５２５的输入信号为 １．０５Ｖ时，输 出的 占空比 控制 信号在 １０．２％～９１．３％之 间变化 ，输 出 电压 稳定
同时稳压 电源的输入一般为井下涡轮 电机。涡轮电机 的 的稳压 电路 部分。
电压输 出取决于涡轮转速，而井下水力涡轮的转速又取
决于钻井液的流量。在钻井、随钻录井 中，钻井液流量
需满足钻井工程的要求 以适应不同地质和钻井工艺的要
求，因此，钻井液流量会有一个很宽的变动范围，这就
导致涡轮 电机的电压也会在一个很宽的范围内变动。为
电压 小于 １２Ｖ时 ，用大 电阻进 行分 压采 样２．５Ｖ电压 具 有很 高的温度 稳定性和 较低 的噪声等 级 ，能提供 送￣ＩＪＴＬ４３１的输 入端 ，ＴＬ４３１的输 出端就会 产生一个 １．２０ｍＡ 的 电流 ，可 以作 为 电路 中 电压和 电流 的给 较 小的差动 电流作 用在 光耦元件 之上 ，差值越 小 ， 定基准 。振 荡器 的振荡频率 由外接 的 电阻ＲＴＳ￣Ｗ电容
矩形波，可 以调节输入 电压 的大小从而调节 占空比的
２ 电路方案设计
大小 。这里二极管的作用是利用 了其单 向导电性 ，使 矩形波可 以顺利显示，并且还具有整流作用，使矩形
２＿１信号处理 电路设计
波更加平滑 。
利 用ＴＬ４３１进 行输 入 电压采 样 ， 当功率 输 出端
ｓＧ３５２５采用 精度 为士％１的５．１Ｖ带隙基 准 源 ，
滤波 处 理 ，将 脉 动 的 直流 电压 变 换 为 平 滑 的直 流
在钻井、随钻测井 （ＭＷＤ）、随钻录井 （ＬＷＤ） 电压 。第三 、稳压 部 分 ，利 用ＴＬ４３１、ＳＧ３５２５、
和智能井等井下控制装置中都需要用到直流稳压电源， ＣＤ４０６９以及ＭＯＳＦＥＴ等器 件组 成 的ＰＭＷ开关 电源
Ｉ￣ＴＬ４３１与光耦处理后的 电路，将输 出的电压送 ０．０１ ，则有 ：
￣ＳＧ３５２５的端子２，经 ＳＧ３５２５处理将正弦波 转换成
·１９８ · 电 子 蕾Ｉ界
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ ·技术 交流
则有ＲＴ≤ １４．３Ｋ。又 因为ＲＤ≤５００ｆ￣我 们选 择 穿 。而Ｒ１４和Ｃ４是 场效应管Ｑ１的保 护 电路 ，当ＭＯＳ ＲＴ＝１４Ｋ，ＲＤ＝６７欧 。这 样 我 们 设 计 出 的功 率 为 管两端 电压增大 时 ，Ｒ１４和Ｃ４进行放 电，防止ＭＯＳ ＩＯＫＨＺ。ＳＧ３５２５两输 出引脚 并联输 出即可使产 生的 本 身的寄生 电容和 电感击穿 ，从而保护ＭＯＳ管 。 ＰＷＭ信 号 占空 比在０％～１００％之间变化 。
保证井下直流电源具有更高的适应性，以满足输入电压
图１系统 结构
宽范围变化的要求，设计选定直流稳压 电源的交流输入
电路 工 作 原 理 ：对 电压 为 ｌ２Ｖ～６４Ｖ的交 流 输
为１２Ｖ．６４Ｖ是合理的，设计这样一个宽输入的直流稳压 入 ，经整流桥 整流 、滤波后 由检测 电路采 样 ，得 到
产生 的 电流 也就越 小 ，这样 作用在 光耦上 的 电流也 ＣＴ决定，而外接 电容 同时还决定死 区时间的长短 ，
就越 小 ，使 得光耦 的输 出端产生 的 电压 也就越低 ， 开关 频率 同 ＲＴ和 电容ＣＴ的关系如下：
简 而 言之就 是 பைடு நூலகம்当功率 输 出端 的 电压低 于 １２Ｖ时 ， 输送 到ＳＧ３５２５输入端 的电压 也就越 小，反之 ，当功
＝面 １面
率端 电压 高于 １２Ｖ时 ，送 到ＳＧ３５２５的反馈 电压也就
ＲＤ为 引脚 ６、７间跨 接 的 电阻值 。根据 需要 电
越大 ，从而达 到采样输入 电压的 目的。 ２．２ ＰＷＭ控 制 电路
路 的频 率 的１０ＫＨＺ，所 以我 们 应 该选 择 合 适 的 电 阻值 和 电容值 ， 由上面 的公式 可得 我 们将 ＣＴ定 为
宽输 入 电压 范 围小 功率 直流稳 压 电源设 计
西安石 油大学 郭文旭 魏 晴晴 王 潇
【摘要 】在导向钻井系统中，井下导向工具需要由受钻井液驱动的涡轮 电机供 电。由于钻井液流量需满足钻 井工程 的要 求 ，故钻井液流量会有一个较 宽的变动 范围 ，对应地 ，井下直流 电源也 必须适应输入 电压的 宽范 围变化要 求 ，维持稳 定 的电压输 出。采 用脉 宽调制技 术设 计 了一 个 小功 率的 直流稳压 电源 ，其 交流输 入 为 １２Ｖ一６４ＶＡＣ，输 出为１２ＶＤＣ。该 电源 由输入 电压检 测 、前馈控 制运算 、脉 宽调 制控制 、稳 压滤波 等部 分所
电源是一件 比较有价值的事
输 入 电压 的检 测 信 号 ， 电压信 号 送 入 控 制 运 算 电
路 ，经 过信号 运算处 理 ，得 到与输入 电压成 反 比的
１ 工作原理
ＰＷＭ控 制输 出，即输入 电压增 大时相应 的输 出信 号
的 占空 比减 小，对ＭＯＳＦＥＴ进行ＰＷＭ开关控制 ；从
电源包括 三大 部分 ：第一 、整流 部分 ，利用 四 而获得低 纹波的稳压输 出 。
基金项 目：陕西省 大学生创新创 业训 练计划 资助项 目 （项 目编号 ：２０１４１０７０５１０３２）。
ｕＬｍ－７－ｔＭＲｔ ·１９７·
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ ·技术 交流
图２脉宽调 制电路
构成 ，讨论 了电路原理 ，给 出了详细的 电路设计 ，．实验验证 了设计是 可行 的。 【关键词 】直流稳压电源； 宽电压输入范围；ＰｗＭ控制器；前馈控制 ；
个 二 极 管集 成 而成 的整 流 桥进 行 整 流 ， 将 变 压器
０ 前言
次级交 流 电压变 换为 单 向脉 动 的直流 电压 。第二 、
当输入 的采样 电压增大时 ，相对应 的ＳＧ３５２５输 ３ 总结 出ＰＷＭ波 占空 比也相应增大 。而在此我们要选择合
适 的Ｒ５和Ｒ６，以及Ｃ２，脉宽调制 电路如 图２所示 。
在输 入 电压 １２Ｖ～６４ＶＡＣ的输入 范 围内，ＰＷＭ
当ＳＧ３５２５的输入信号为 １．０５Ｖ时，输 出的 占空比 控制 信号在 １０．２％～９１．３％之 间变化 ，输 出 电压 稳定
同时稳压 电源的输入一般为井下涡轮 电机。涡轮电机 的 的稳压 电路 部分。
电压输 出取决于涡轮转速，而井下水力涡轮的转速又取
决于钻井液的流量。在钻井、随钻录井 中，钻井液流量
需满足钻井工程的要求 以适应不同地质和钻井工艺的要
求，因此，钻井液流量会有一个很宽的变动范围，这就
导致涡轮 电机的电压也会在一个很宽的范围内变动。为
电压 小于 １２Ｖ时 ，用大 电阻进 行分 压采 样２．５Ｖ电压 具 有很 高的温度 稳定性和 较低 的噪声等 级 ，能提供 送￣ＩＪＴＬ４３１的输 入端 ，ＴＬ４３１的输 出端就会 产生一个 １．２０ｍＡ 的 电流 ，可 以作 为 电路 中 电压和 电流 的给 较 小的差动 电流作 用在 光耦元件 之上 ，差值越 小 ， 定基准 。振 荡器 的振荡频率 由外接 的 电阻ＲＴＳ￣Ｗ电容
矩形波，可 以调节输入 电压 的大小从而调节 占空比的
２ 电路方案设计
大小 。这里二极管的作用是利用 了其单 向导电性 ，使 矩形波可 以顺利显示，并且还具有整流作用，使矩形
２＿１信号处理 电路设计
波更加平滑 。
利 用ＴＬ４３１进 行输 入 电压采 样 ， 当功率 输 出端
ｓＧ３５２５采用 精度 为士％１的５．１Ｖ带隙基 准 源 ，
滤波 处 理 ，将 脉 动 的 直流 电压 变 换 为 平 滑 的直 流
在钻井、随钻测井 （ＭＷＤ）、随钻录井 （ＬＷＤ） 电压 。第三 、稳压 部 分 ，利 用ＴＬ４３１、ＳＧ３５２５、
和智能井等井下控制装置中都需要用到直流稳压电源， ＣＤ４０６９以及ＭＯＳＦＥＴ等器 件组 成 的ＰＭＷ开关 电源
Ｉ￣ＴＬ４３１与光耦处理后的 电路，将输 出的电压送 ０．０１ ，则有 ：
￣ＳＧ３５２５的端子２，经 ＳＧ３５２５处理将正弦波 转换成
·１９８ · 电 子 蕾Ｉ界
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ ·技术 交流
则有ＲＴ≤ １４．３Ｋ。又 因为ＲＤ≤５００ｆ￣我 们选 择 穿 。而Ｒ１４和Ｃ４是 场效应管Ｑ１的保 护 电路 ，当ＭＯＳ ＲＴ＝１４Ｋ，ＲＤ＝６７欧 。这 样 我 们 设 计 出 的功 率 为 管两端 电压增大 时 ，Ｒ１４和Ｃ４进行放 电，防止ＭＯＳ ＩＯＫＨＺ。ＳＧ３５２５两输 出引脚 并联输 出即可使产 生的 本 身的寄生 电容和 电感击穿 ，从而保护ＭＯＳ管 。 ＰＷＭ信 号 占空 比在０％～１００％之间变化 。
保证井下直流电源具有更高的适应性，以满足输入电压
图１系统 结构
宽范围变化的要求，设计选定直流稳压 电源的交流输入
电路 工 作 原 理 ：对 电压 为 ｌ２Ｖ～６４Ｖ的交 流 输
为１２Ｖ．６４Ｖ是合理的，设计这样一个宽输入的直流稳压 入 ，经整流桥 整流 、滤波后 由检测 电路采 样 ，得 到
产生 的 电流 也就越 小 ，这样 作用在 光耦上 的 电流也 ＣＴ决定，而外接 电容 同时还决定死 区时间的长短 ，
就越 小 ，使 得光耦 的输 出端产生 的 电压 也就越低 ， 开关 频率 同 ＲＴ和 电容ＣＴ的关系如下：
简 而 言之就 是 பைடு நூலகம்当功率 输 出端 的 电压低 于 １２Ｖ时 ， 输送 到ＳＧ３５２５输入端 的电压 也就越 小，反之 ，当功
＝面 １面
率端 电压 高于 １２Ｖ时 ，送 到ＳＧ３５２５的反馈 电压也就
ＲＤ为 引脚 ６、７间跨 接 的 电阻值 。根据 需要 电
越大 ，从而达 到采样输入 电压的 目的。 ２．２ ＰＷＭ控 制 电路
路 的频 率 的１０ＫＨＺ，所 以我 们 应 该选 择 合 适 的 电 阻值 和 电容值 ， 由上面 的公式 可得 我 们将 ＣＴ定 为