一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路的制作方法

本实用新型属于石油、天然气钻井领域，尤其是涉及一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路。

背景技术：

智能钻井工具中，井底信息的采集和处理、控制命令的发出均由测量、控制芯片完成，测量、控制芯片所需的供电电压范围通常在3.3V～12V之间，通过12V直流电源经直流-直流(DC-DC)变换得到。若电源电压不稳定，会直接影响到电路系统的正常工作，进而影响智能钻井工具的整体工作性能。采用锂电池供电的方式，输出电压纹波小、稳定性好，但单体锂电池的电压值为3.6V，采用串并联方式的锂电池组由于单体锂电池间性能不均衡，会影响其供电性能，并且在高温环境下，锂电池放电速度加快，工具长时间井下工作时存在储能不足的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，以解决智能钻井工具的测量、控制芯片在工作时所需的电源供电电压不稳定或电池供电易出现供电不足的问题。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，包括泥浆涡轮发电机、三相整流滤波电路、变压器、高频整流滤波电路、电流反馈电路、脉宽调制电路、电压反馈回路、微处理器、电压信号采集第一电路、电压采集第二电路和功率器件Q1，所述泥浆涡轮发电机经所述三相整流滤波电路后分别与所述 电压采集第二电路和所述变压器的输入端连接，所述变压器初级绕组的输出端通过电容C5和二极管D8连接至所述三相整流滤波电路的输出端,所述电容C5两端连接电阻R3作为放电回路，所述变压器初级绕组的输出端经所述功率器件Q1后与所述脉宽调制电路连接，所述脉宽调制电路的输入端和所述电压信号采集第二电路的输出端均与所述微处理器连接，所述变压器次级绕组经所述高频整流滤波电路后分别与所述电压信号采集第一电路和所述电压反馈回路的输入端连接，所述电压反馈回路的输出端与所述脉宽调制电路连接，所述电压信号采集第一电路的输出端与所述微处理器连接，所述功率器件Q1的漏极连接所述初级绕组的输出端，栅极通过电阻R4连接至所述脉宽调制电路输出端，源级连接所述电流反馈电路的输入端。

进一步的，所述电压信号采集第一电路由电阻R1、电阻R2、电容C10和运算放大器U1组成，所述电阻R1的第一端接至所述三相整流滤波电路的输出端，第二端与所述电阻R2的第一端连接，所述电阻R2的第二端接地，所述电阻R2的两端分别与所述电容C10的两端连接，所述电容C10的第二端接地，所述电容C10的第一端与所述运算放大器U1的正向输入端连接，所述运算放大器U1的负向输入端和输出端均连接至所述微处理器，所述电压采集第二电路由电阻R7、电阻R8、电容C9和运算放大器U2组成，所述电阻R7的第一端接至电压输出端Vout，第二端与所述电阻R8的第一端连接，所述电阻R8的第二端接地，所述电阻R8的两端分别与所述电容C9的两端连接，所述电容C9的第二端接地，所述电容C9的第一端与所述运算放大器U2的正向输入端连接，所述运算放大器U2的负向输入端和输出端均连接至所述微处理器。

进一步的，所述三相整流滤波电路包括三相全波整流电路和电容滤波电路，所述电容滤波电路由三个分别串联后并联的二极管组形成，所述二极管 组分别为二极管D1和二极管D2、二极管D3和二极管D4、二极管D5和二极管D6，所述电容滤波电路由两个分别串联后并联的电容组形成，所述电容组分别为电容C1和电容C2、电容C3和电容C4，所述电容组与所述二极管组并联。

进一步的，所述高频整流滤波电路包括二极管D7、电容C7、电容C8和电感L1，所述电容C7的第二端与所述电容C8的第二端均接地，所述电容C7的第一端与所述电容C8的第一端分别连接所述电感L1的两端，所述电容C8的第一端接至电压输出端Vout，所述电容C7的第一端与所述二极管D7负极连接，所述二极管D7正极与所述次级绕组的输出端连接。

进一步的，所述电流反馈电路由电阻R5、电阻R6和电容C6组成，所述电阻R6的第二端和所述电容C6的第二端均接地，所述电容C6第一端经所述电阻R5的第二端后连接至所述脉宽调制电路的输入端，所述电阻R6第一端分别连接所述电阻R5的第一端和所述功率器件Q1的源级。

进一步的，所述电压反馈回路由电阻R7、电阻R8和电容C9组成，所述电阻R7的第一端接至电压输出端Vout，第二端与所述电阻R8的第一端连接，所述电阻R8的第二端接地，所述电阻R8的两端分别与所述电容C9的两端连接，所述电容C9的第二端接地，所述电容C9的第一端与所述脉宽调制电路的输入端连接。

进一步的，所述泥浆涡轮发电机产生的三相低频交流电压的变化范围为30V～70V，频率范围为83Hz～185Hz。

进一步的，所述变压器为反激式变压器，所述变压器磁芯为圆环形铁氧体材料，紧耦合方式绕制，同名端反向，所述初级绕组和所述次级绕组匝数比为150:80。

进一步的，所述脉宽调制电路的核心芯片型号为SG3525，所述脉宽调制 电路的开关频率设计为200kHz。

进一步的，所述的微处理器采用HCS12系列单片机。

相对于现有技术，本实用新型所述的用于智能钻井工具的12V稳压电源电路具有以下优势：

(1)本实用新型所述的用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，将泥浆涡轮发电机产生的宽变化范围交流输入电压通过整流滤波、直流-直流变换等一系列措施转换成12V直流电能输出，由单片机对稳压电源关键节点的电压值进行实时采集、处理，以控制脉宽调制电路的电能转换过程，从而保证12V直流电能输出的稳定性。

(2)本实用新型所述的用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，电容C5和二极管D8组成的峰值保持电路，使后续电路有足够的时间转换为数字信号，保证了数据的精确性。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述的用于智能钻井工具的12V稳压电源电路图；

图2为本实用新型实施例由示波器监测得到的12V直流电能输出曲线图；

图3为本实用新型实施例的输入-输出效率测试图。

附图标记说明：

1-泥浆涡轮发电机；2-三相整流滤波电路；3-变压器；4-高频整流滤波电路；5-电流反馈电路；6-脉宽调制电路；7-电压反馈回路；8-微处理器；9-电压信号采集第一电路；10-电压采集第二电路；Q1-功率器件；D-Q1的漏极；G-Q1的栅极；S-Q1的源级。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，如图1至3所示，包括泥浆涡轮发电机1、三相整流滤波电路2、变压器3、高频整流滤波电路4、电流反馈电路5、脉宽调制电路6、电压反馈回路7、微处理器8、电压信号采集第一电路9、电压采集第二电路10和功率器件Q1，所述泥浆涡轮发电机1经所述三相整流滤波电路2后分别与所述电压采集第二电路10和所述变压器3的输入端连接，所述变压器3初级绕组的输出端通过电容C5和二极管D8连接至所述三相整流滤波电路2的输出端,所述电容C5两端连接电阻R3作为放电回路，所述变压器3初级绕组的输出端经所述功率器件Q1后与所述脉宽调制电路6连接，所述脉宽调制电路6和所述电压信号采集第二电路10的输出端均与所述微处理器8连接，所述变压器3次级绕组经所述高频整流滤波电路4后分别与所述电压信号采集第一电路9和所述电压反馈回路7的输入端连接，所述电压反馈回路7的输出端与所述脉宽调制电路6连接，所述电压信号采集第一电路9的输出端与所述微处理器8连接，所述功率器件Q1的漏极连接所述初级绕组的输出端，栅极通过电阻R4连接至所述脉宽调制电路6输出端，源级连接所述电流反馈电路5的输入端。

所述电压信号采集第一电路9由电阻R1、电阻R2、电容C10和运算放大器U1组成，所述电阻R1的第一端接至所述三相整流滤波电路2的输出端，第二端与所述电阻R2的第一端连接，所述电阻R2的第二端接地，所述电阻R2的两端分别与所述电容C10的两端连接，所述电容C10的第二端接地，所述电容C10的第一端与所述运算放大器U1的正向输入端连接，所述运算放大器U1的负向输入端和输出端均连接至所述微处理器8，所述电压采集第二电路10由电阻R7、电阻R8、电容C9和运算放大器U2组成，所述电阻R7的第一端接至电压输出端Vout，第二端与所述电阻R8的第一端连接，所述电阻R8的第二端接地，所述电阻R8的两端分别与所述电容C9的两端连接，所述电容C9的第二端接地，所述电容C9的第一端与所述运算放大器U2的 正向输入端连接，所述运算放大器U2的负向输入端和输出端均连接至所述微处理器8。

所述三相整流滤波电路2包括三相全波整流电路和电容滤波电路，所述电容滤波电路由三个分别串联后并联的二极管组形成，所述二极管组分别为二极管D1和二极管D2、二极管D3和二极管D4、二极管D5和二极管D6，所述电容滤波电路由两个分别串联后并联的电容组形成，所述电容组分别为电容C1和电容C2、电容C3和电容C4，所述电容组与所述二极管组并联。

所述高频整流滤波电路4包括二极管D7、电容C7、电容C8和电感L1，所述电容C7的第二端与所述电容C8的第二端均接地，所述电容C7的第一端与所述电容C8的第一端分别连接所述电感L1的两端，所述电容C8的第一端接至电压输出端Vout，所述电容C7的第一端与所述二极管D7负极连接，所述二极管D7正极与所述次级绕组的输出端连接。

所述电流反馈电路5由电阻R5、电阻R6和电容C6组成，所述电阻R6的第二端和所述电容C6的第二端均接地，所述电容C6第一端经所述电阻R5的第二端后连接至所述脉宽调制电路6的输入端，所述电阻R6第一端分别连接所述电阻R5的第一端和所述功率器件Q1的源级。

所述电压反馈回路7由电阻R7、电阻R8和电容C9组成，所述电阻R7的第一端接至电压输出端Vout，第二端与所述电阻R8的第一端连接，所述电阻R8的第二端接地，所述电阻R8的两端分别与所述电容C9的两端连接，所述电容C9的第二端接地，所述电容C9的第一端与所述脉宽调制电路6的输入端连接。

所述泥浆涡轮发电机1产生的三相低频交流电压的变化范围为30V～70V，频率范围为83Hz～185Hz。

所述变压器3为反激式变压器，所述变压器3磁芯为圆环形铁氧体材料， 紧耦合方式绕制，同名端反向，所述初级绕组和所述次级绕组匝数比为150:80。

所述脉宽调制电路6的核心芯片型号为SG3525，所述脉宽调制电路6的开关频率设计为200kHz。

所述的微处理器8采用HCS12系列单片机。

一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路各部分功能为

泥浆涡轮发电机1，用于产生三相低频交流电能；

三相整流滤波电路2，将泥浆涡轮发电机产生的三相低频交流电能转换成粗直流电能并滤除粗直流电能中的纹波成分；

变压器3，当功率器件Q1导通时，变压器3将输入的粗直流电能转换成高频交流电能存储在初级绕组中，当功率器件Q1关断时，变压器3将存储在初级绕组中的高频交流电能传递至次级绕组处；

高频整流滤波电路4，在功率器件Q1关断时间内，由二极管D7对所述的变压器3次级绕组输出的高频交流电能进行半波整流，由电容C7、电容C8和电感L1组成π型滤波器，用于滤除12V直流电能中的纹波成分；

脉宽调制电路6，通过控制功率器件Q1的导通和关断，将整流滤波电路2输出的粗直流电能转换成高频交流电能，通过变压器3进行存储和传输；

电流反馈电路5，对功率器件Q1的源级S电流采样，反馈至脉宽调制电路6中；

电压反馈电路7，对输出的12V直流电能采样，反馈至脉宽调制电6中；

电压信号采集第二电路10和电压信号采集第一电路9，分别采集整流滤波电路输出的粗直流电能和稳压电源输出的12V直流电能，将数据传递给微 处理器8；

微处理器8，根据电压信号采集第二电路10和电压信号采集第一电路9采集的数据，控制脉宽调制电路6的工作。

一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路工作原理：

如图1所示，三相整流滤波电路2中二极管D1～D6组成的三相全波整流电路，将泥浆涡轮发电机1产生的三相低频交流电能转换为粗直流电能，电容C1～C4组成的电容滤波电路，用于滤除粗直流电能中的纹波成分。电容C5和二极管D8组成峰值保持电路，电阻R3为电容C5提供放电回路；

当功率器件Q1导通时，变压器3将三相整流滤波电路2输入的粗直流电能转换成高频交流电能存储在初级绕组中，电流反馈电路5对功率器件Q1的源级S电流采样反馈至脉宽调制电路6中；当功率器件Q1关断时，变压器3将存储在初级绕组中的高频交流电能传递至次级绕组处，高频整流滤波电路4中的二极管D7对变压器3次级绕组输出的高频交流电能进行半波整流，输出12V直流电能，电压反馈电路7对12V直流电能采样反馈至脉宽调制电路6中；电压反馈信号与基准电压进行比较、误差放大后，与电流反馈信号一起控制脉宽调制电路6输出脉冲信号在一个周期内的占空比值，从而控制功率器件Q1导通与关断的时间间隔，以达到稳定12V输出电能的目的。

电压信号采集第二电路10采集三相整流滤波电路2输出的粗直流电能，传递至微处理器8中；电压信号采集第一电路9采集输出的12V直流电能，传递至微处理器8中；

当三相整流滤波电路2输出的粗直流电能低于设定的启动电压时，或者当输出的12V直流电能低于设定的阈值电压时，微处理器8输出低电平至脉宽调制电路6中，脉宽调制电路6停止输出脉宽调制信号，稳压电源无12V电能输出，微处理器8转为单体锂电池供电，当微处理器8接收到的信号处 于正常阈值范围内时，微处理器8输出高电平，且供电电压由12V稳压电源提供。

如图2所示，为本实用新型实施例的示波器测量图，100为示波器第一通道连接三相整流滤波电路2输出端的测量曲线，200为示波器第二通道连接12V直流电能输出测量曲线，300为示波器第三通道连接脉宽调制电路6的脉冲信号输出端测量曲线。从图中可以看出，当三相整流滤波电路2输出的粗直流电能升高至微处理器8设置的启动电压时，脉宽调制电路6开始工作，输出脉宽调制波形，稳压电源输出稳定的12V直流电能，本实施例中启动电压设置为45V。

如图3所示，为本实用新型实施例的输入-输出效率测试图，测试数据如表1所示。

表1智能钻井工具12V稳压电源输入-输出效率测试数据

从图3中可以看出，随着负载电流从空载增加到0.397A，负载电压从12.18V下降到11.38V，输入-输出效率维持在80％左右，负载电压和输入-输出效率基本稳定，能够满足智能钻井工具测量、控制芯片对供电电源的用电需求，达到了设计要求。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。