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    使用WEBENCH在線工具設(shè)計井下高溫電源

    2020-11-13 03:30:56胡永建胡奕然
    自動化儀表 2020年10期
    關(guān)鍵詞:原理圖鋰電池高溫

    胡永建,孫 琦,胡奕然

    (1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院北京石油機(jī)械有限公司,北京 102206;2.北京市八一學(xué)校,北京 100080)

    0 引言

    在石油鉆井時,需要為處于井下高溫環(huán)境的儀器設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠的電源。高溫鋰電池是熱電池向中低溫度范圍的拓展和延伸,在地?zé)峒熬绿綔y等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1]。與可充電式鋰電池相比,一次性鋰電池具有單體電池電壓高、能量高、存儲壽命長、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[2]。

    單體鋰電池的標(biāo)稱電壓為3.6 V,開路電壓可高達(dá)3.7 V,而截止電壓可低至2 V。為了提供穩(wěn)定的直流輸出電壓,需要直流-直流(direct current/direct current,DC/DC)轉(zhuǎn)換器完成穩(wěn)壓工作。對于寬輸入電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器,開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率高于低壓差穩(wěn)壓器(low dropout regulator,LDO),降壓型開關(guān)電源通過脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓,應(yīng)用范圍廣泛[3]。

    傳統(tǒng)的開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計依賴于人工計算、樣機(jī)制作和調(diào)試,工作量大、難度高。美國德州儀器(Texas instrument,TI)新版在線電源設(shè)計工具WEBENCH Power Designer能夠針對不同供電需求快速完成選型、定制、仿真及輸出等工作。本文基于該工具設(shè)計的井下高溫電源,輸出電壓為24 V,最大輸出電流為0.5 A,能夠耐受125 ℃高溫,支持多達(dá)17節(jié)高溫鋰電池串聯(lián)供電,轉(zhuǎn)換效率高,具備軟啟動等多種保護(hù)功能,可以滿足多數(shù)井下儀器的供電需要。

    1 工作原理

    井下高溫電源的工作原理如圖1所示。

    圖1 工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle

    一次性高溫鋰電池需經(jīng)受濫用試驗(yàn)的考驗(yàn):對于外部短路、強(qiáng)制充電、強(qiáng)制放電等濫用情況,鋰電池不能爆炸及起火。為了確保安全使用并增加電池容量,鋰電池組將同類型的多個單體電池串聯(lián)后,再通過二極管并聯(lián)為降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器供電。二極管的存在可以避免強(qiáng)制充電。DC/DC轉(zhuǎn)換器的降壓輸出為外部設(shè)備供電。與LDO相比,降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓必須比輸出電壓更高。對于24 V輸出,輸入電壓一般不能低于27 V。圖2給出了A、B兩種電池在70 ℃和20 ℃時不同放電電流下的容量曲線。

    圖2 電池容量曲線Fig.2 Curves of battery capacity

    由圖2可知,一次性高溫鋰電池的容量與工作溫度和放電電流相關(guān)。電池的放電電壓與剩余容量、工作溫度、放電電流相關(guān),降低放電截止電壓可以提高電池利用率。因此,需要針對寬范圍輸入電壓,對DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

    為了提高性能及可靠性,現(xiàn)代DC/DC轉(zhuǎn)換器已將PWM控制器集成在單一芯片內(nèi)。為了提高工作效率,有的芯片甚至集成了開關(guān)管。此類DC/DC轉(zhuǎn)換器具有復(fù)雜的功能和內(nèi)部邏輯,有使能(enable,EN)、電源正常(power good,PGOOD)等多種控制信號。如圖1所示,此類信號可以方便外部控制器實(shí)施控制:在不需要供電的時候通過EN信號關(guān)斷電源;通過PGOOD信號判斷供電是否正常等。

    2 設(shè)計目標(biāo)

    本文設(shè)計的高溫電源輸出電壓為24 V,最大輸出電流為0.5 A,可滿足定向、伽馬、電阻率等多數(shù)井下儀器的供電需求。具體設(shè)計目標(biāo):額定輸出電壓24 V,額定輸出電流0.3 A,最大輸出電流0.5 A,最高環(huán)境溫度125 ℃,具有電源使能控制功能,帶電源正常指示,軟啟動保護(hù)時間5 ms,具備過熱、過流及欠電壓保護(hù)功能。

    本設(shè)計所選一次性高溫鋰電池標(biāo)稱容量為28 A,最大持續(xù)放電電流為1.5 A,最高工作溫度為145 ℃,內(nèi)部帶有7 A的超快熔斷保險絲用于短路保護(hù)。不同數(shù)量的鋰電池串聯(lián)可以提供不同容量,滿足不同時長的供電需要。串聯(lián)電池節(jié)數(shù)越多,供電時長配置越靈活(還可通過電池組的并聯(lián)增加容量);電池放電截止電壓越低,越能夠提高鋰電池的利用率(一次性高溫鋰電池價格昂貴)。TI的DC/DC轉(zhuǎn)換器芯片的最大輸入電壓已經(jīng)能夠達(dá)到100 V,如LM5116、LM5164等。

    3 DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計

    TI在2011年收購了美國國家半導(dǎo)體公司后,擴(kuò)充了電源管理產(chǎn)品線,可提供2 000余種DC/DC轉(zhuǎn)換器的芯片及模組,同時提供免費(fèi)的WEBENCH Power Designer在線電源設(shè)計工具。

    WEBENCH Power Designer已有近二十年的發(fā)展歷史。利用該軟件能創(chuàng)建穩(wěn)壓器的原型,使設(shè)計者不經(jīng)過樣機(jī)制作就能解決在設(shè)計穩(wěn)壓電源中可能遇到的技術(shù)問題[4]。新版WEBENCH Power Designer摒棄了之前復(fù)雜的基于按鈕的操作流程,能大幅降低學(xué)習(xí)門檻,并縮短設(shè)計時間。新設(shè)計流程以選型操作為基礎(chǔ),經(jīng)過定制、仿真及導(dǎo)出三步操作,就可以生成設(shè)計報告。新版在線設(shè)計工具支持多種優(yōu)化設(shè)計,如最大效率、最小尺寸、最低價格等方案;對于多種設(shè)計方案,還提供了不同的篩選器來篩選具體方案。篩選器包括穩(wěn)壓器類型、控制模式、芯片特性等。篩選結(jié)果以方案卡片或列表的方式列出。用戶可以根據(jù)篩選結(jié)果列出的元器件尺寸、數(shù)量及成本等,比較各方案優(yōu)劣。

    3.1 選型

    基于WEBENCH的電源設(shè)計從器件選型操作開始。啟動在線設(shè)計工具,選擇DC/DC電源開始設(shè)計。輸入設(shè)計參數(shù)(輸入電壓為27~65 V、輸出電壓為24 V、最大輸出電流為0.5 A、額定輸出電流為0.3 A、環(huán)境溫度為125 ℃、軟啟動時間為5 ms、按照最大效率優(yōu)化方案),系統(tǒng)可自動篩選出滿足條件的設(shè)計方案。如果方案不止一個,在選型頁面還可以通過篩選器作進(jìn)一步選擇。

    滿足當(dāng)前設(shè)計目標(biāo)的方案只有一項(xiàng),即LM5166器件組成的開關(guān)電源。這與通過TI產(chǎn)品清單所帶的篩選器得出的結(jié)果一致,也可以通過輸入器件型號直接開始設(shè)計。TI LM5166是具有超低待機(jī)電流的同步型降壓轉(zhuǎn)換器,采用易散熱的10腳塑料小外形無引線封裝。其最大輸入電壓為65 V,最高結(jié)溫為150 ℃,可選恒定導(dǎo)通時間(constant on-time,COT)或脈沖頻率調(diào)制(pulse frequency modulation,PFM)控制模式。前者開關(guān)頻率不變、轉(zhuǎn)換效率高,后者能夠提高輕負(fù)載時的效率。在COT模式工作時,65 V輸入電壓,5 V@0.3 A輸出時的轉(zhuǎn)換效率依然高達(dá)86%。LM5166具有滿足設(shè)計目標(biāo)的功能及各類保護(hù),可以提高井下作業(yè)的可靠性。

    完成選型后即可進(jìn)入定制步驟。WEBENCH Power Designer的定制界面提供了原理圖、印刷電路板(printed circuit board,PCB)布局布線及物料清單(bill of material,BOM),同時提供了計算得到的電路運(yùn)行值和能夠反映設(shè)計特征的運(yùn)行值曲線圖。

    3.2 定制

    3.2.1 原理圖相關(guān)內(nèi)容

    設(shè)計方案原理如圖3所示。

    圖3 設(shè)計方案原理圖Fig.3 Schematic diagram of design scheme

    從原理圖中可以看到:引腳5電阻(resistor,RT)選擇通過Rt電阻接地。此時選擇COT模式。如果直接接地,則選擇PFM模式。

    引腳4軟啟動(soft start,SS)的Css電容定義了軟啟動時間tss,由式(1)計算。

    Css=8.1×tss

    (1)

    式中:Css為軟啟動電容,nF;tss為軟啟動時間,ms。

    當(dāng)Css為47 nF時,軟啟動時間約為5.8 ms,滿足設(shè)計參數(shù)的需求。

    在COT模式下,引腳3電流限制(current limit,ILIM)接地時最大輸出電流為500 mA。

    引腳8反饋(feedback,FB)輸入的反饋電壓通過Rfbt與Rfbb組成的分壓網(wǎng)絡(luò)提供。它們與輸出電壓的關(guān)系由式(2)確定。

    (2)

    式中:Rfbb為底部的分壓電阻,固定為124 kΩ;Rfbt為頂部的分壓電阻。

    當(dāng)Rfbt為2.32 MΩ時,輸出電壓UOUT為24.1 V,滿足設(shè)計要求。

    濾波電感L1與流經(jīng)電感的紋波電流相關(guān),輸出電容和轉(zhuǎn)換器輸出的紋波電壓相關(guān)。由于本井下高溫電源對紋波電壓要求不高,因此得到的方案中沒有輸出電容,且采用了類型1(最低成本)的由Resr和COUT組成的紋波網(wǎng)絡(luò)。其他類型的紋波網(wǎng)絡(luò)可以得到更小的輸出紋波電壓。

    值得注意的是,原理圖上同時標(biāo)出了與轉(zhuǎn)換效率相關(guān)的電容等效串聯(lián)電阻(equivalent series resistance,ESR)和電感直流電阻(direct current resistor,DCR)。一般來說,電容ESR越低(高Q值)損耗越低、價格越高;電感DCR越小損耗越低、尺寸越大。該標(biāo)注方便了效率、成本及尺寸之間的相互平衡。

    PCB布局與電源完整性設(shè)計密切相關(guān)[5]。本文PCB采用四層板設(shè)計。PCB布局如圖4所示。

    圖4 PCB布局圖Fig.4 PCB layout diagram

    由圖4可以看到,PCB大量使用了大面積敷銅,保證了良好接地和功率輸出,與該芯片手冊給出的建議一致。

    最后,可以查看物料清單。BOM中的每一種器件都給出了廠家及具體型號,同時給出了報價和封裝尺寸,還可以下載器件手冊。此外,設(shè)計工具提供了一系列替代器件,用戶可以根據(jù)供貨等情況加以選擇,選擇完成后重新計算,以評估結(jié)果。

    計算結(jié)果以運(yùn)行值及曲線圖的方式顯示。

    3.2.2 運(yùn)行值及曲線圖

    運(yùn)行值包括輸出電壓、占空比、開關(guān)頻率、轉(zhuǎn)換效率等多項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù),以及芯片、電容、電感及功率方面的多項(xiàng)參數(shù),用于與設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行比較。

    以開關(guān)頻率為例,RT引腳連接的電阻Rt不僅用來選擇COT模式,也確定了開關(guān)頻率。

    (3)

    式中:Rt為RT引腳的模式選擇電阻,kΩ;UOUT為24 V輸出電壓,V;FSW為開關(guān)頻率,kHz。

    當(dāng)Rt為1.4 MΩ時,F(xiàn)SW約為97.95 kHz。該結(jié)果與設(shè)計工具計算得到的運(yùn)行值97.96 kHz一致。

    以轉(zhuǎn)換效率為例,圖5給出了轉(zhuǎn)換效率與輸出電流的關(guān)系。

    圖5 轉(zhuǎn)換效率與輸出電流關(guān)系圖Fig.5 The relationship between conversion efficiency and output current

    從圖5中可見,對于27~65 V的寬范圍輸入電壓,在大于50 mA的輸出電流情況下,該方案始終具有高于94%的轉(zhuǎn)換效率。由于WEBENCH Power Designer可以根據(jù)方案的優(yōu)化傾向,從低成本、高效率、小尺寸及綜合平衡等方面進(jìn)行優(yōu)化。在定制頁面,既可以更改優(yōu)化傾向,又可以更改軟啟動時間等配置選項(xiàng)重新計算。為了進(jìn)一步評估計算結(jié)果,設(shè)計工具提供了多種仿真手段。

    3.3 仿真

    在上一版本的設(shè)計工具中,不僅包含了基于通用模擬電路仿真(simulation program with integrated circuit emphasis,SPICE)的直流及瞬態(tài)電仿真工具,還包含了基于TI WebTHERM專有技術(shù)的熱仿真工具。但新的測試版尚未包含熱仿真。新測試版包含啟動、負(fù)載瞬態(tài)、輸入瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)等4種電仿真,仿真的條件參數(shù)直接顯示在原理圖中,仿真結(jié)果顯示在波形圖中。圖6給出了啟動仿真結(jié)果。

    圖6 啟動仿真結(jié)果Fig.6 Simulation of start-up

    設(shè)定的輸入電壓在0.02 ms內(nèi)從0 V躍升到46 V。從圖6可見,輸出電壓在經(jīng)歷微小的起伏震蕩后一路線性上升到24 V,上升時間約為5 ms。這種軟啟動有利于保護(hù)負(fù)載。如果需要進(jìn)行熱仿真,目前還要使用上一版的設(shè)計工具。

    3.4 導(dǎo)出

    所有數(shù)據(jù)(包括原理圖、PCB設(shè)計圖、BOM、計算及仿真數(shù)據(jù))都可以導(dǎo)出,用于測試調(diào)試、生產(chǎn)制造及器件采購。其中:原理圖、PCB及仿真數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出為Alitium Designer、Candence OrCAD等格式,通過Ultra Librarian軟件得到器件的庫文件。仿真數(shù)據(jù)也可以導(dǎo)出為TINA-TI的電路圖,用作進(jìn)一步仿真分析。TINA-TI軟件是TI與DesignSoft共同開發(fā)的、基于SPICE技術(shù)的電路仿真軟件。

    4 系統(tǒng)設(shè)計

    使用WEBENCH Power Designer完成DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計后就可以進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。圖7給出了系統(tǒng)電路圖。

    圖7中:引出了控制信號;EN輸入信號只需大于1.22 V,即可啟動轉(zhuǎn)換器;PGOOD引腳在芯片內(nèi)部是開漏輸出,需要通過電阻上拉到接口電壓UIO,與外部控制器接口電平相匹配。

    圖7 系統(tǒng)電路圖Fig.7 System circuit diagram

    對于27~65 V輸入電壓,允許接入的鋰電池數(shù)量最多為17節(jié)。假設(shè)鋰電池放電截止電壓為2 V,允許接入的最低數(shù)量為14節(jié)??梢酝ㄟ^將串聯(lián)的電池組接入二極管并聯(lián)來增加電池容量,延長供電時間。常規(guī)整流二極管有較大導(dǎo)通壓降,會浪費(fèi)寶貴的電池電能。這里采用了TI的理想二極管SM74611,其2 A@125 ℃時的平均正向電壓不到50 mV。

    5 試驗(yàn)驗(yàn)證

    在鉆井過程中,隨著井深增加地層溫度不斷上升,平均地溫梯度為3 ℃/100 m。垂直井深3 000 m時,地層溫度約為125 ℃。由于鉆井液的循環(huán)冷卻作用,實(shí)際可用垂深要更深一些。溫度特性是井下高溫電源的重要特性。

    圖8 不同溫度下的輸出電壓Fig.8 Output voltage at different temperatures

    為了測試不同溫度下井下高溫電源的輸出電壓,使用AMETEK JOFRA RTC-250B標(biāo)準(zhǔn)干體爐提供溫度環(huán)境。該設(shè)備最高設(shè)定溫度可達(dá)250 ℃,使用雙區(qū)控溫,溫場范圍大、穩(wěn)定性高。與常規(guī)控溫箱和溫度槽相比,干體爐升降溫速度更快。輸入電源為KeySight N5771A直流電源,最高輸出電壓300 V,電流5 A。負(fù)載為KeySight N3300A直流電子負(fù)載,配N3303A 250W電子負(fù)載模塊,使用恒定電阻模式。另外,使用KeySight 34411A 6 1/2位數(shù)字多用表輔助測量。

    圖8給出了不同溫度下該高溫電源的輸出電壓。此時,負(fù)載電阻設(shè)定為80 Ω,高溫電源額定輸出電流約為0.3 A。

    隨著環(huán)境溫度上升,輸出電壓變化幅度不大,僅在120 ℃時出現(xiàn)了較大跌落。其原因在于芯片結(jié)溫升高。該結(jié)果滿足井下儀器的供電需求。中石油工程技術(shù)研究院研制的高頻磁耦合有纜鉆桿系統(tǒng)使用了同類型井下高溫電源。經(jīng)歷大慶油田、吉林油田的多次現(xiàn)場試驗(yàn),高溫電源工作正常。

    6 結(jié)論

    電源設(shè)計歷來是耗時多、難度大、成本高的一項(xiàng)工作。隨著新型集成電路的不斷推出,設(shè)計工作已經(jīng)大為簡化。但由于電源設(shè)計的復(fù)雜性,如開關(guān)電源就有降壓、升壓、半橋、全橋等多種拓?fù)浞绞?,?yōu)化因素包含輸入電壓范圍等設(shè)計參數(shù),加上對轉(zhuǎn)換效率、尺寸、成本的優(yōu)化及權(quán)衡,設(shè)計依然復(fù)雜。本井下高溫電源使用WEBENCH Power Designer在線電源設(shè)計工具,簡化了DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計工作,達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

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