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2024年4月28日发(作者：构造函数类型)
电子产品世界
过钻具阵列感应仪器开关电源方案设计
New switch power supply Design of FITS TAIT
梁小兵，陈 文，朱瑞明，宋 宇，杜英伟，王 强
（中国石油集团测井有限公司测井技术研究院，北京 100200）
*
摘 要：过钻具阵列感应仪器是为特殊复杂井况设计的高端测井成像装备，由于仪器发射功率较大，为了提高
电源的效率，解决传统线性电源效率低、发热大的缺点，提出了开关电源解决方案。本方案采用一种高频开关
电源技术，对仪器中大功率发射单元和数字电路部分采用开关电源设计方案，提高供电效率。同时，应用EMI
技术，通过独特设计的滤波单元，消除开关电源开关频率对下井仪器中模拟电源部分的干扰，既提高了电源效
率，又保证仪器的测量精度。
关键词：过钻具阵列感应仪器；开关电源；电磁干扰；滤波器
*本课题为中国石油集团公司项目“多模式过钻具成像测井系统现场试验”项目编号2021ZS03
0 引言
过钻具阵列感应仪器是用于石油勘探开发的高端成
像测井仪器，是为特殊过钻杆工艺和保护套施工工艺设
计的特殊仪器，仪器发射功率较大，高效的开关电源对
仪器开发意义重大。仪器的工作环境温度为175 ℃，仪
器的设计难点是仪器的电源系统设计，传统线性电源由
于效率低和发热大的缺点，很难满足设计要求。与传统
裸眼井阵列感应仪器相比，由于仪器采用电池供电，所
以对仪器的供电系统提出了更高的要求。过钻具阵列感
应仪器属于大功率电阻率成像仪器，仪器的总功率在
25 W左右，对下井仪器的供电系统
提出了更高的要求。本文提出了开关
电源解决方案，采用高频开关电源技
术，在仪器中大功率发射单元和数字
电路部分采用开关电源设计方案，提
高供电效率，同时应用EMC技术，
通过独特设计的滤波单元，消除开关
电源开关频率对下井仪器中模拟电源
部分的干扰，既提高了电源的效率，
又保证仪器的测量精度。
1 过钻具阵列感应仪器
过钻具阵列感应下井仪器的工作原理是由发射线圈
向地层发射激励信号，由接收线圈接收来自地层的二次
感应信号，提取地层有用信息，用于分析泥浆侵入、各
向异性地层识别
[1]
和石油储层评价等
[2]
。
过钻具阵列感应仪器的构成框图如图1所示，主要
包括电子线路和探头两大部分。电子线路部分由通信模
块、数字处理模块、前放模块、电源模块、发射模块和
泥浆电阻率模块构成，探头部分主要包括发射和接收线
圈系。
图１ 过钻具阵列感应仪器线圈系框图
作者简介：梁小兵（1978—），男，工学硕士，高级工程师，主要研究方向：感应测井仪器研制和微弱信号的采集与处理等，完成研制
的仪器包括阵列感应仪器和三维阵列感应仪器。E-mail：*********************。
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esign & Application
设计应用
图中前放模块实现对微弱信号60 dB增益放大，对在线性电源系统设计中，电源效率低下，线性稳压
器产生大量热能，增加仪器工作的不稳定性。井下仪器
的供电来自井上发电设备经电缆传输至井下电源供电系
统输入端，对地面供电系统提出更高的要求，为了解决
上述问题，我们提出开关电源的设计方案。
电源噪声要求较高。其他功能模块为数字电源供电，其
中发射模块对发射线圈提供激励信号，是仪器的主要功
耗单元。过钻具阵列感应线圈系结构如图2所示。
3 过钻具阵列感应仪器开关电源设计方案
根据过钻具阵列感应仪器的特点，我们把发射功率
图２ 过钻具阵列感应仪器线圈系框图
较大的±15 V发射电源和数字电路供电部分的数字电
源采用开关电源系统设计，强放电路模块即对微弱信号
进行强制放大处理部分的电路仍然采用线性电源设计方
案。电源详细设计方案框图如图4所示。
2 传统阵列感应仪器线性电源设计方案
传统阵列感应仪器的电源系统采用线性电源供电系
统，系统框图如图3所示。
高温变压器整流桥线性稳压器
4 EMI技术
过钻具阵列感应仪器属于高端精密仪器，其测量信
±15V
号非常微弱，信号的量级只有几十微伏，甚至几十纳伏，
而且感应仪器信号频率范围从（20～120）kHz的范围
内，容易受到开关电源频率及谐波分量的影响；不好的
电源系统设计会对原始信号产生很大的干扰，甚至完全
淹没，因此电源系统的设计就显得尤为重要了。电源设
计的主要任务就是利用EMC/EMI技术，通过独特设计
的滤波单元消除开关电源模块对模拟电源部分的干扰。
开关电源模块上背板
滤波背板
+15VA
滤波
背板
开关电源模块#1
±15V1A
250VAC
±5VD
±5VA
图３ 传统阵列感应仪器电源系统框图
电源短接电气框图
输出±15V1A
+5V2A,-5V1A,3.3V100mA
-9V100mA
高压整流滤波板
-15VA
滤波
背板
开关电源模
块
+5V2A
-5V1A
3.3V100mA
滤波背板
+5VA
-5VA
GND
+5VD
开关电源模块
-9V100mA
-5VD
GND
+3.3V
GND
图４ 过钻具阵列感应电源详细设计框图
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开关电源产生的EMI（electromagnetic interference）
的根本原因是功率开关器件的高速开关动作（几十kHz
到几兆Hz）
[3-5]
，在其工作过程中的电流变化率和电压
变化率非常大，这种控制方式使得开关电源的EMI频
谱主要分布在基波频率和谐波频率上。
为了抑制开关电源产生的EMI，可以通过调制
PWM开关信号，将集中在基波频率和谐波频率上的谱
能量分散到边带频率上，减小最大谱峰值，从而使开关
电源可以较为容易地通过EMI的相关规定，还可以通
过使用复杂的噪声滤波器和防护罩来降低开关电源的
EMI
[6]
。
按照途径区分，高频电源干扰发生特点可分为传导
干扰和辐射干扰，传导干扰又可分为共模干扰和差摸干
扰。辐射干扰主要为电磁辐射。差模信号由高频工作电
流、数字电路工作电流引起，可由旁路电容滤除；共模
信号由高频开关电压经杂散电容传播，可由共模滤波器
滤除；电磁辐射经空间传播，可由金属屏蔽、破坏引出
线天线效应滤除。
通过关键技术的设计和应用，消除了开关电源的电磁干
图５ 过钻具阵列感应测试曲线
5 EMI技术在过钻具阵列感应仪器中的应用
在过钻具阵列感应仪器开关电源模块设计中，采用
同步整流技术使整流损耗降至1%以下；利用磁耦合
PWM控制，保证电源模块在高温下的高可靠性；采用
精确的原边限压设计，使控制输出更加可靠。为了提高
开关电源模块的可靠性，增加了硬件冗余设计，包括电
容、开关管等易损部件。使用定频软开关技术同时限制
频谱范围，在电源模块设计中对电源模块本身金属屏蔽，
阻断天线效应，内置基本滤波背板单元，大大降低了电
磁干扰
[7-8]
。
图5为过钻具阵列感应仪器在实井测试中的原始数
据曲线，仪器的原始信号变化范围小于1 mS/m，满足
仪器设计要求，可见开关电源供电系统满足设计要求。
扰，在过钻具阵列感应仪器设计中进行了成功的应用。
实验结果表明，在下井仪器电源系统设计中，设计的一
些关键技术可以有效抑制开关电源模块对测量系统的电
磁干扰，应用效果良好。
参考文献：
[1] 肖加奇.新一代网络化测井系统LEAP800[J].石油仪器,2012,
26(1):26-29.
[2] 谷树忠.开关电源的电磁兼容性设计[J].电子技术应用,2001,27
(3):30-32.
[3] 刘秉安.基于一种有源EMI共模技术的研究[J].国外电子测量技
术,2010,29 (6):62-65.
[4] 樊亚坤.耐高温大功率开关电源用电感器设计[J].电子测量技术,
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[5] 韩星.改善开关电源输出特性方法的研究[J].电子测量技术,2006,
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[6] 李海松.有效降低开关电源EMI的电路设计[J].北京理工大学学
报,2009,29(2):142-146.
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[8] 和军平.开关电源共模传导干扰模型的研究[J].中国电机工程学
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6 结束语
本文分析了开关电源模块电磁干扰产生的原因及其
特点，设计了以EMC/EMI滤波器为核心的解决方案，
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