scorpion地震儀器采集設(shè)備電源電路的改進(jìn)

scorpion地震儀器采集設(shè)備電源電路的改進(jìn)

長(zhǎng)期以來(lái)，scorpion地面采集系統(tǒng)的采集站一直使得每個(gè)施工團(tuán)隊(duì)帶來(lái)安全事故。由于安全事故，采集站無(wú)法正常工作，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)。為了更好地使用和維護(hù)好Scorpion地面采集設(shè)備,完善采集站的功能,依托公司一級(jí)科研項(xiàng)目“Scorpion地震儀器采集設(shè)備功能提升與研究”下子項(xiàng)目“采集站功能完善與提高”,我們對(duì)Scorpion模擬采集站中的開(kāi)關(guān)電源電路進(jìn)行了改進(jìn)。通過(guò)改進(jìn),減少了采集站電源發(fā)生故障的幾率,有效提高了采集站的完好率。Scorpion采集站(以下稱(chēng)A單元)由接口板、控制板和PA/AD板(也叫模擬板)3部分組成,本文主要討論故障多發(fā)的A單元控制板電源電路。1dc/dc電源圖1所示為A單元控制板電源分布框圖。A單元通過(guò)數(shù)傳電纜中的遙測(cè)命令/數(shù)據(jù)線對(duì)電纜供電,無(wú)論從A端還是B端加電,A單元都會(huì)先從數(shù)傳線對(duì)中抽取48V電源(以±24V的形式存在)。抽取的電源分成兩路:一路通過(guò)A單元的端口將線電壓傳遞給下線的A單元;另一路送到DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路,變換出3路不同的電源,分別是:AUX12V、+2.5V和+3.5V。AUX12V給U99和U100供電,它還通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生+3.3I隔離電源(指3.3V的隔離電源)送給U80、U83、……等器件供電;+3.3I隔離電壓進(jìn)一步通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生3.000V電源給U89供電;+2.5V電源通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生+1.8V電源給U22和U20供電;+3.5V電源送給PA/AD板,經(jīng)過(guò)不同的轉(zhuǎn)換器變換出PA/AD電路中需要的各種電源,同時(shí)+3.5V電源還通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生3.3V電源給U102、U20、U68等器件供電,3.3V電源還要經(jīng)過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生VPLLC電源給鎖相環(huán)電路供電。圖1中DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路就是本文著重分析的主電源電路。2開(kāi)關(guān)管場(chǎng)效應(yīng)管年充放電能量傳遞機(jī)理A單元中,DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路采用單端反激式變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源,其電路原理如圖2所示。單端反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是指變壓器只有一個(gè)原邊繞組,且電流方向不改變,利用原邊電流關(guān)斷時(shí),副邊產(chǎn)生的反激電壓向負(fù)載輸送電流。從圖2可以看出,當(dāng)開(kāi)關(guān)管(場(chǎng)效應(yīng)管)Q13截止時(shí),變壓器T7初級(jí)線圈中存儲(chǔ)的能量通過(guò)次級(jí)線圈釋放給負(fù)載;當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q13被脈寬調(diào)制器激勵(lì)而導(dǎo)通時(shí),輸入電壓便施加到高頻變壓器T7的原邊繞組上,由于變壓器T7三個(gè)副邊的整流二極管D16、D17和D19反接,因此這時(shí)副邊繞組沒(méi)有電流流過(guò);當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q13截止時(shí),變壓器副邊繞組上的電壓極性顛倒,使D16、D17、D19被正偏,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間存儲(chǔ)在T7中的能量便通過(guò)D16、D17、D19分別釋放到各自的負(fù)載上。由于開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間存儲(chǔ)能量,因此在開(kāi)關(guān)管Q13截止期間才向負(fù)載傳遞能量。高頻變壓器T7在電路中除了起變壓作用外,還相當(dāng)于一個(gè)儲(chǔ)能用的電感,其次,變壓器T7還能起到隔離輸入與輸出電路的作用。3開(kāi)關(guān)管漏極保護(hù)電路消峰電路設(shè)計(jì)任何時(shí)刻開(kāi)關(guān)管上所承受的電壓都要低于它所能夠承受的最大電壓,并且有足夠的安全余量。反激式變壓器開(kāi)關(guān)管所承受的最大反峰值電壓應(yīng)為線路工作電壓峰值的2倍以上。在A單元中,開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓為48V,開(kāi)關(guān)管選用的是N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管SI2328DS。該場(chǎng)效應(yīng)管正常時(shí)的漏極-源極間的電壓VDS最大為100V,而在線測(cè)試實(shí)際電路時(shí),VDS為107V(圖3就是我們用示波器抓到的采集站工作狀態(tài)下漏極端的信號(hào)波形圖),可見(jiàn)其超出了開(kāi)關(guān)管漏極-源極之間可承受的最大電壓,極易造成開(kāi)關(guān)管的損壞,繼而引起其它相關(guān)器件一連串損壞,導(dǎo)致A單元不加電,這也正是A單元開(kāi)關(guān)電源電路故障率高的主要原因。開(kāi)關(guān)管上產(chǎn)生尖峰脈沖的原因主要有兩種:一是開(kāi)關(guān)變壓器各繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓幅度過(guò)大,在次級(jí)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓與開(kāi)關(guān)管漏極得到的直流工作電壓疊加,如果這個(gè)疊加值超過(guò)開(kāi)關(guān)管漏極-源極的耐壓,就會(huì)損壞開(kāi)關(guān)管;二是開(kāi)關(guān)管漏極保護(hù)電路(尖峰脈沖吸收電路)有問(wèn)題,不能將開(kāi)關(guān)管漏極端產(chǎn)生的尖脈沖吸收掉,造成開(kāi)關(guān)管漏極電壓過(guò)高而被擊穿。經(jīng)過(guò)分析和多次試驗(yàn),最后發(fā)現(xiàn)在變壓器T7的初級(jí)端(即圖2中變壓器T7的3腳與4腳之間)增加一個(gè)微型消峰電路,使尖峰得以減弱,可以解決這一問(wèn)題。圖4中虛線框內(nèi)的就是微型消峰電路,該電路由一個(gè)肖特基二極管D1(SB160A)和一個(gè)12V的穩(wěn)壓二極管D2(1N4742)組成。該電路利用穩(wěn)壓二極管的鉗位功能來(lái)消除部分正向峰值脈沖,使電路中開(kāi)關(guān)管漏極-源極之間的電壓VDS由原來(lái)的107V降低為92.8V,圖5所示即為增加了消峰電路之后開(kāi)關(guān)管漏極端的信號(hào)波形。將圖3和圖5中的兩個(gè)信號(hào)波形進(jìn)行比較后,不難看出消峰電路極大地減少了開(kāi)關(guān)管的工作壓力,起到了彌補(bǔ)開(kāi)關(guān)管SI2328DS器件不足的功效。我們將改造后的采集站進(jìn)行了多次技術(shù)指標(biāo)測(cè)試和烤機(jī)試驗(yàn),最后證實(shí)加了消峰電路的采集站各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)正常。之后,我們還進(jìn)行了-40℃低溫試驗(yàn),在線測(cè)試采集站工作情況,試驗(yàn)表明消峰電路對(duì)原有電路沒(méi)有任何不良影響。目前消峰電路正陸續(xù)安裝到A單元上。4a單元電源電路的工作原理本文圍繞A單元電源的組成與分布、電路中開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理、開(kāi)關(guān)管選型缺陷以及消峰電路的作用展開(kāi)了討論。在Scorpion采集系統(tǒng)中,交叉站、電源站的電源電路與A單元電源電路的工作原理基本相同,理解了A單元電源電路的工作原理,對(duì)判別和解決交叉站和電源站的電源故障有很大的幫助。通過(guò)在A單元開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中增加消峰電路,很好地解決了A單元電源電路故障率高的難題。通