电磁随钻测量系统D类功率放大电路设计
摘 要： 针对煤矿井下电磁随钻测量系统传统功放电路功耗大、效率低、体积大、难以适应井下供电有限的特殊环境及工作空间狭小、负载不稳定等问题，设计并实现了一种高效D类功率放大电路。该电路以TDA7492MV功放芯片为核心，采用MSP430系列超低功耗单片机对其进行过流监控保护，其具有输出阻抗低、体积小、输出电流大等优点。现场试验表明，该电路能够很好地实现功率放大级的低功耗和高效率。
关键词： 随钻测量； D类功率放大； 高效功率放大电路； 低功耗
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）02?0133?04
Design of class?D power amplification circuit for electromagnetism measuring
while drilling system
YAN Feng， SUN Xiangyang
（School of Electronic Engineering， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China）
Abstract： Since the traditional power amplification circuit of the electromagnetism measuring while drilling system for the underground coal mine has high power consumption， low efficiency and large volume， which is difficult to accommodate to the special environment with the limited power supply， and the facts of narrow workspace and unstable load under the mine， a high efficiency class?D power amplification circuit was designed and realized， in which the power amplification chip TDA7492MV is taken as the kernel， and the ultra?low power dissipation microcontroller in MSP430 series is adopted to monitor and protect itself while it is in overcurrent situation. The circuit has low output resistance， small volume and large output current. The field test results show that the circuit can realize the low power dissipation and high efficiency of the power amplification stage.
Keywords： measurement while drilling； class?D power amplification； efficient power amplification circuit； low?power dissipation
0 引 言
电磁随钻测量系统是一种利用低频电磁波将井下传感器测到的井斜、方位等数据信息传输到地面，对钻孔轨迹进行实时测量和控制的精密仪器。相比于传统泥浆脉冲遥传技术，其具有不受钻井液影响、信号传输速率高、结构简单等优点，广泛应用于煤矿勘探等欠平衡钻井中。
煤矿井下随钻测量系统普遍采用电池组进行供电，而且发射探管口径较小。因此系统对功放电路的体积、效率及功耗等要求均较高。传统的AB类功率放大器工作在线性状态，效率低、功耗大，无法保证长时间的持续钻进作业，而且需要较大面积的散热片，导致PCB面积很大，难以适应发射探管狭窄的电路工作空间。
D类功率放大器的功放管工作在开关状态[1?2]，当功放管饱和导通时，漏电流虽很大，但大功率MOS管导通电阻非常小，因此自身管耗很小。当MOS管截止时，漏电流不足1 μA，静态功耗也是非常小的，所以D类功放的效率非常高。对此，本文设计了一种用于煤矿井下电磁随钻测量系统的高效D类功率放大电路，采用脉冲宽度调制技术实现了模拟信号的开关放大，大大提高了功放效率；通过对开关放大后的PWM输出信号进行差分无源低通滤波，获得了质量较高的功率信号波形；同时采用MSP430系列超低功耗单片机对功放实施过流监控保护，保证了功率稳定可靠地输出。
1 方案设计
电磁随钻测量系统以钻杆作天线[3]，绝缘短节将钻杆上、下电气分隔，形成间隙电压激励的偶极发射天线，功放电路两个输出端子分别接到上下两段钻杆上，从正极出来的激励电流沿上段钻杆向上流动，由于钻杆和地层紧密接触，地层导电，该轴向电流大部分泄漏到地层回流到下段负极钻杆上，如图1所示。其中灰色部分代表绝缘短节，内部矩形框代表功放电路。
图1 绝缘短节偶极发射天线
图1中，绝缘偶极发射天线输入阻抗（功放负载）受地层电导率影响很大[4]。煤层钻进中，循环介质主要为煤渣和水的混合物，其电导率较大且不断变化，导致功放负载较重、不稳定。这种情况下，功放电路不仅要求低功耗、高效率，而且要在发射仓很狭窄的情况下能够输出较大电流，以保证足够的功率输出。因此采用D类功率开关放大技术最为合适。D类功率放大电路系统功能框图，见图2。
图2 D类功率放大电路系统功能框图
工作原理是，模拟输入信号进入TDA7492芯片，由内部脉冲宽度调制器将其调制为PWM波，然后由MOS功率桥电路完成开关放大，放大后的PWM信号再经过外部差分无源低通滤波电路[5?6]，最终输出模拟差分功率信号。电流监控电路[7?8]对发射电流进行实时监控，保证发射电流稳定在正常值。
功放电路系统特点如下：
（1） 输出阻抗小，仅为400 mΩ；
（2） 输出电流较大，最大输出电流峰值可达6 A，完全满足工程需求；
（3） 采用D类功率开关放大、功耗低、效率高；
（4） PCB面积小，采用带散热底座的表贴封装，可利用PCB大面积铜箔进行散热，无需额外大体积散热片；
（5） 具有过流保护电路以及电流自动监控电路，性能可靠安全。
2 硬件电路设计
2.1 D类功率放大器电路
D类功率放大器电路主要包括TDA7492功放芯片、RC过流保护电路和差分无源低通滤波电路。功放电路原理图见图3。
图3 D类功率放大器电路原理图
脉冲宽度调制是以模拟输入信号为调制波，调制器内部振荡器产生的300 kHz的高频正弦信号为载波的一种调制方式。脉冲宽度调制器本质上是一个比较器，低频模拟输入信号与内部振荡器产生的高频载波分别加到比较器两个端子。当输入低频模拟信号幅值高于高频载波幅值时输出为低电平；当输入低频模拟信号幅值低于高频载波幅值时输出高电平。这样就产生了具有固定占空比的PWM调制信号，经过驱动电路转换为差分PWM波送至功率H桥完成开关放大。PWM开关放大逻辑工作过程见图4。
图4 PWM开关放大
功率H桥为全桥结构，由4个N沟道大功率MOS管组成。DRVP与DRVN为两路差分PWM信号。当DRVP与DRVN同高同低，OUTP与OUTN电压变化相同，负载上电流无流过；当DRVP为高电平，DRVN为低电平时，OUTP上桥臂导通，OUTN下桥臂导通，负载上承受正向电压；当DRVP为低电平，DRVN为高电平时，OUTP下桥臂导通，OUTN上桥臂导通，负载上承受反向电压。
放大后的功率PWM波，需经输出级差分无源低通滤波器滤除高频载波，还原为模拟功率信号。对于差分无源低通滤波器的设计，由于输出电流很大，RC结构的低通滤波器电阻会耗能，不能采用，必须使用LC低通滤波器。其中关键元件为电感L1，L2，电容C3，如图3所示。电感需要采用屏蔽大功率电感，典型值可取L1=L2=33 μH。调整电感与电容的值可以改变滤波器截止频率，获得好的谐波失真度。
STBY端口的电阻R1与有极性电容C1构成了RC过流保护电路。其工作原理是，当功放输出端短路时，功放因输出电流过大而激活过流保护电路，保护系统会在1 μs内关闭功率级，输出的短路电流被开关切断，输出处于高阻态，这种状态的功耗极低。而后每隔一段时间，系统会试图重启，重启间隔时间R1与C1的值决定。如果负载仍然短路，系统会再次关闭输出电流的通路。
2.2 功放电流监控电路
钻进作业过程中，绝缘偶极发射天线输入阻抗会随着地层电导率的变化而变化，发射电流也随之变化。当遇到电导率较大的地层，功放容易因输出电流过大而进入RC过流短路保护状态，影响测量工作的进行。因此对发射电流的实时监测和控制非常关键。电流监控电路主要包括电流取样[9]、电流检测放大滤波电路、RMS?DC真有效值转换器、MSP430低功耗微控制器。原理框图如图5所示。
图5 电流监控电路原理框图
功放电流监控电路以MSP430系列超低功耗MCU作控制器，对功放增益进行自动调控。为保证对负载的影响尽可能小，电流取样电阻阻值很小，取样信号很微弱，因此需电流检测放大器、RMS?DC真有效值转换器等组成的电流测量电路对其进行适当调理，再送入MSP430F149片内12位精密A/D采集。
2.2.1 电流检测放大滤波电路
功放输出为差分功率信号，其单端输出叠加有较高直流共模分量（大小与供电电源有关）以及300 kHz高频载波分量。普通的仪器放大器无法承受太高直流共模分量。因此采用了可承受较高共模电压的AD629电流检测差动放大器。AD629是一款高性能差动放大器，最高可承受280 V直流共模电压，且对差模输入信号无衰减。差模放大后的信号，再经过适当放大滤波（滤除300 kHz高频载波分量）处理后送入RMS?DC转换器。
2.2.2 RMS?DC真有效值转换电路
RMS?DC转换器作用是完成对交流信号真有效值的精密测量。采用真有效值测量方式最大优点是能够精确测量各种电压波形的有效值，而不必考虑被测波形的参数以及失真。
本文采用了ADI公司的AD736对取样信号进行有效值测量。AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器，其主要特点是准确度高、灵敏性好（满量程为200 mV有效值）、测量速率快、频率特性好（工作频率范围为0～460 kHz）、外围元件少、电源范围宽且功耗低，其测量综合误差不超过±3%。
3 电流监控程序设计
电流监控软件程序流程图，如图6所示。
图6 电流监控电路自动增益控制流程图
电流监控程序主要包括MCU初始化、ADC中断服务子程序、增益控制子程序。系统上电复位后，MCU预设初始增益，启动A/D转换，实时采集RMS?DC转换器输出的取样电压有效值。当输出电流大于4 A时，送增益控制命令GAIN给功放增益控制I/O口，降低功放电压增益，以达到减小输出电流的目的，使得功放回到正常工作状态，返回继续检测。工作过程中，再出现过流时，则继续下调增益，使得发射电流再次回到正常值，如此循环。为保证测量的准确性，A/D对输入信号一次采样32个点，求取平均值作为最终判断结果。
4 PCB电磁兼容设计
系统印制电路板（PCB）设计[10]，对于电路的性能至关重要。由于电流监控电路为弱信号电路，功放为强信号电路，为防止相互干扰，设计成2块电路板，在外部以导线相连。另外，为了保证整个系统的低功耗与高效率，监控电路所需的正负电源采用了高效开关电源。而开关电源的缺点是高频纹波较大，如果不做特殊处理，高频纹波会和输入信号一起被放大，对功放造成严重干扰。因此，首先本系统的地线设计是采用表层大面积敷铜做地线，以降低地线阻抗，减少地线噪声干扰。其次将功放电路板敷铜地层分割为功率地和信号地，电源入口处以0 Ω电阻连接；另外，电流监控电路敷铜地层分割为模拟地、数字地、开关电源地，同样在电源入口处以0 Ω电阻连接。实际测试，系统各个电路模块工作正常，性能良好。
5 结 语
设计并实现了一种煤矿井下电磁随钻测量系统D类功率放大电路。该电路采用D类放大技术实现了功率的高效放大，大大减少了功耗，解决了传统功率放大器效率较低的问题；PCB面积小，无需外加散热片，能输出较大电流；同时具有功放电流监控电路，保证了功率的稳定可靠输出。该电路满足电磁随钻测量系统发射电路在供电有限的特殊环境下实现高效率功率输出的实际要求。
参考文献
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