一种具有迟滞特性的井下稳压电源开关电路.pdf

一种具有迟滞特性的井下稳压电源开关电路。其包括：第一电阻R1、第二电阻R2、电容C1、比较器U1、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、功率器件Q1、二极管D1。本发明提供的具有迟滞特性的井下稳压电源开关电路的有益效果：在石油钻井工具的供电系统中，通过在井下稳压电源和用电负载之间增设开关保护电路，在系统启动和关断以及泥浆涡轮发电机存在振荡和失步等情况下，可有效保护用电负载的工作安全，通过设置不同的开启和关断阈值，可有效避免单一阈值情况下井下稳压电源输出电压在阈值电压附近时功率器件频繁通断而烧毁问题，对石油钻井工具中电子控制单元的稳定、安全运行具有重要的意义。

权利要求书
1.  一种具有迟滞特性的井下稳压电源开关电路，其特征在于：所述的具有迟滞特性的井下稳压电源开关电路包括：
第一电阻R1，所述的第一电阻R1的第一端为本电路的输入端，用于接收井下稳压电源输出的直流电压，所述的第一电阻R1的第二端与所述的比较器U1的第二端相连；
第二电阻R2，所述的第二电阻R2的第一端与所述的比较器U1的第二端相连，所述的第二电阻R2的第二端与接地端相连，所述的第二电阻R2与所述的第一电阻R1构成串联分压结构，用于对井下稳压电源输出的直流电压进行分压后输入所述的比较器U1的第二端；
电容C1，所述的电容C1的第一端与所述的第二电阻R2的第一端相连，所述的电容C1的第二端与接地端相连，用于对输入所述的比较器U1第二端的直流电压进行低通滤波；
比较器U1，所述的比较器U1的第一端用于接收基准电压值，所述的比较器U1的第二端用于接收由所述的第一电阻R1和所述的第二电阻R2分压后的井下稳压电源输出电压值；
第三电阻R3，所述的第三电阻R3的第一端与所述的比较器U1的第一端相连，所述的第三电阻R3的第二端与所述的比较器U1的第三端相连，为反馈电阻；
第四电阻R4，所述的第四电阻R4的第一端与所述的比较器U1的第三端相连，所述的第四电阻R4的第二端与所述的功率器件Q1的第一端相连；
第五电阻R5，所述的第五电阻R5的第一端与所述的第四电阻R4的第二端相连，所述的第五电阻R5的第二端与本电路的输入端相连；
第六电阻R6，所述的第六电阻R6的第一端与所述的比较器U1的第二端相连，所述的第六电阻R6的第二端与用电负载即本电路的输出端相连；
功率器件Q1，所述的功率器件Q1的第一端与第四电阻R4的第二端相连，所述的功率器件Q1的第二端与本电路的输入端相连，所述的功率器件Q1的第三端与本电路的输出端相连；
二极管D1，所述的二极管D1的第一端与所述的功率器件Q1的第三端相连，所述的二极管D1的第二端与所述的功率器件Q1的第二端相连；
所述比较器U1的第一端为同相输入端，所述比较器U1的第二端为反相输入端，所述比较器U1的第三端为输出端，所述的比较器U1用于将井下稳压电源的输出电压与基准电压进行比较后输出；
所述的二极管D1的第一端为二极管的阴极、第二端为二极管的阳极。

2.  根据权利要求1所述的具有迟滞特性的井下稳压电源开关电路，其特征在于：所述的第四电阻R4和所述的第五电阻R5的阻值远小于所述的第三电阻R3的阻值。

说明书一种具有迟滞特性的井下稳压电源开关电路
技术领域
本发明涉及一种用于石油钻井工具的井下稳压电源开关电路，特别是涉及一种具有迟滞特性的井下稳压电源开关电路。
背景技术
具有电子控制单元的石油钻井工具其电能供给多来自于泥浆涡轮发电机，泥浆涡轮发电机产生的三相低频交流电能经稳压电源转换成适合不同负载的稳定直流电能输出。但是，泥浆涡轮发电机在启动和停止过程中，输出电压有一个上升和下降的过程，因此稳压电源输出的直流电能也存在一个上升和下降的过程，若在此段时间内直接给负载供电，会由于负载供电不足而影响负载工作的稳定性和安全性。此外，由于泥浆流量波动较大，使得泥浆涡轮发电机转速不稳，而负载的变化有可能引起泥浆涡轮发电机的振荡和失步，这都会导致稳压电源输出的直流电能存在波动，引起用电负载的工作异常，影响石油钻井工具的整体工作性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有迟滞特性的井下稳压电源开关电路。
为了达到上述目的，本发明提供的具有迟滞特性的井下稳压电源开关电路包括：第一电阻R1，所述的第一电阻R1的第一端为本电路的输入端，用于接收井下稳压电源输出的直流电压，所述的第一电阻R1的第二端与所述的比较器U1的第二端相连；
第二电阻R2，所述的第二电阻R2的第一端与所述的比较器U1的第二端相连，所述的第二电阻R2的第二端与接地端相连，所述的第二电阻R2与所述的第一电阻R1构成串联分压结构，用于对井下稳压电源输出的直流电 压进行分压后输入所述的比较器U1的第二端；
电容C1，所述的电容C1的第一端与所述的第二电阻R2的第一端相连，所述的电容C1的第二端与接地端相连，用于对输入所述的比较器U1第二端的直流电压进行低通滤波；
比较器U1，所述的比较器U1的第一端用于接收基准电压值，所述的比较器U1的第二端用于接收由所述的第一电阻R1和所述的第二电阻R2分压后的井下稳压电源输出电压值；
第三电阻R3，所述的第三电阻R3的第一端与所述的比较器U1的第一端相连，所述的第三电阻R3的第二端与所述的比较器U1的第三端相连，为反馈电阻；
第四电阻R4，所述的第四电阻R4的第一端与所述的比较器U1的第三端相连，所述的第四电阻R4的第二端与所述的功率器件Q1的第一端相连；
第五电阻R5，所述的第五电阻R5的第一端与所述的第四电阻R4的第二端相连，所述的第五电阻R5的第二端与本电路的输入端相连；
第六电阻R6，所述的第六电阻R6的第一端与所述的比较器U1的第二端相连，所述的第六电阻R6的第二端与用电负载即本电路的输出端相连；
功率器件Q1，所述的功率器件Q1的第一端与第四电阻R4的第二端相连，所述的功率器件Q1的第二端与本电路的输入端相连，所述的功率器件Q1的第三端与本电路的输出端相连；
二极管D1，所述的二极管D1的第一端与所述的功率器件Q1的第三端相连，所述的二极管D1的第二端与所述的功率器件Q1的第二端相连；
所述比较器U1的第一端为同相输入端，所述比较器U1的第二端为反相输入端，所述比较器U1的第三端为输出端，所述的比较器U1用于将井下稳压电源的输出电压与基准电压进行比较后输出；
所述的二极管D1的第一端为二极管的阴极、第二端为二极管的阳极。
所述的第四电阻R4和所述的第五电阻R5的阻值远小于所述的第三电阻R3的阻值。
本发明提供的具有迟滞特性的井下稳压电源开关电路的有益效果：在石油钻井工具的供电系统中，通过在井下稳压电源和用电负载之间增设开关保护电路，在系统启动和关断以及泥浆涡轮发电机存在振荡和失步等情况下，可有效保护用电负载的工作安全，通过设置不同的开启和关断阈值，可有效避免单一阈值情况下井下稳压电源输出电压在阈值电压附近时功率器件频繁通断而烧毁问题，对石油钻井工具中电子控制单元的稳定、安全运行具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明提供的具有迟滞特性的井下稳压电源开关电路结构图。
图2为本电路一实施例的开关阈值测试曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的具有迟滞特性的井下稳压电源开关电路进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的具有迟滞特性的井下稳压电源开关电路包括：
第一电阻R1，所述的第一电阻R1的第一端为本电路的输入端，用于接收井下稳压电源输出的直流电压，所述的第一电阻R1的第二端与所述的比较器U1的第二端相连；
第二电阻R2，所述的第二电阻R2的第一端与所述的比较器U1的第二端相连，所述的第二电阻R2的第二端与接地端相连，所述的第二电阻R2与所述的第一电阻R1构成串联分压结构，用于对井下稳压电源输出的直流电压进行分压后输入所述的比较器U1的第二端；
电容C1，所述的电容C1的第一端与所述的第二电阻R2的第一端相连，所述的电容C1的第二端与接地端相连，用于对输入所述的比较器U1第二端 的直流电压进行低通滤波；
比较器U1，所述的比较器U1的第一端用于接收基准电压值，所述的比较器U1的第二端用于接收由所述的第一电阻R1和所述的第二电阻R2分压后的井下稳压电源输出电压值；
第三电阻R3，所述的第三电阻R3的第一端与所述的比较器U1的第一端相连，所述的第三电阻R3的第二端与所述的比较器U1的第三端相连，为反馈电阻；
第四电阻R4，所述的第四电阻R4的第一端与所述的比较器U1的第三端相连，所述的第四电阻R4的第二端与所述的功率器件Q1的第一端相连；
第五电阻R5，所述的第五电阻R5的第一端与所述的第四电阻R4的第二端相连，所述的第五电阻R5的第二端与本电路的输入端相连；
第六电阻R6，所述的第六电阻R6的第一端与所述的比较器U1的第二端相连，所述的第六电阻R6的第二端与用电负载即本电路的输出端相连；
功率器件Q1，所述的功率器件Q1的第一端与第四电阻R4的第二端相连，所述的功率器件Q1的第二端与本电路的输入端相连，所述的功率器件Q1的第三端与本电路的输出端相连；
二极管D1，所述的二极管D1的第一端与所述的功率器件Q1的第三端相连，所述的二极管D1的第二端与所述的功率器件Q1的第二端相连；
所述比较器U1的第一端为同相输入端，所述比较器U1的第二端为反相输入端，所述比较器U1的第三端为输出端，所述的比较器U1用于将井下稳压电源的输出电压与基准电压进行比较后输出；
所述的二极管D1的第一端为二极管的阴极、第二端为二极管的阳极。
所述的功率器件Q1为P型功率器件，第一端为栅极，第二端为源级，第三端为漏极，源级接收井下稳压电源输出电压，漏极与用电负载相连，当所述的功率器件Q1导通时，稳压电源通过所述的功率器件Q1向用电负载供 电；
所述的本电路的输入端与井下稳压电源的输出电压连接，本电路的输出端与电子控制单元等用电负载连接，比较器U1的第一端与基准电压VREF连接。
所述的第六电阻R6用于将开关电路的输出电压反馈至所述的比较器U1的第二端，根据其阻值调整关断阈值电压大小；
所述的井下稳压电源输出电压大于阈值电压VTH时，开关电路打开，井下稳压电源给用电负载提供稳定的直流电能，所述的井下稳压电源的输出电压小于阈值电压VTL时，开关电路关闭，井下稳压电源与用电负载之间的连接断开，VTL<VTH，具有迟滞特性；
所述的第四电阻R4和所述的第五电阻R5的阻值由井下稳压电源输出电压和所述的功率器件Q1第一端与第二端的导通电压决定，且所述的第四电阻R4和所述的第五电阻R5的阻值应远小于所述的第三电阻R3的阻值。
如图1所示，井下稳压电源的输出电压经第一电阻R1和第二电阻R2分压后输入比较器U1的反相输入端，与基准电压VREF进行比较后经第四电阻R4输出至功率器件Q1的栅极，电容C1用于低通滤波，井下稳压电源的输出电压经第五电阻R5后输入功率器件Q1的栅极，功率器件Q1的源级接收井下稳压电源的输出电压，功率器件Q1的漏极与用电负载相连，二极管D1用于防止功率器件Q1关断时反相电流过大而击穿。
如图2所示，根据图1所示的结构图制作电路板，开关电路输出端Vout与电子负载连接，测试其开启、关断阈值，横坐标表示负载电流变化，变化范围为0A-2.5A，变化间隔为0.5A，纵坐标表示开关电路阈值电压，曲线1为开启阈值电压，在27V左右，曲线2为关断阈值电压，在23V左右。
工作过程如下：
井下稳压电源的输出电压记为Vin，开关电路的输出电压记为Vout。
开始工作时，Vin从0开始上升，比较器U1的反相输入端电压VU1-为：
VU1-＝Vin×R2/(R1+R2)           (1)
若VU1-<VVEF，则比较器U1输出电压为高电平，此时，功率器件Q1的栅极电压VG1为：
VG1＝Vin×R4/(R4+R5)           (2)
功率器件Q1的源级电压VD＝Vin，此时，
VD-VG1>VQT           (3)
其中VQT为功率器件Q1的导通条件，功率器件Q1关断，Vout＝0。
Vin继续增大，当VU1->VREF时，比较器U1输出低电平，此时，功率器件Q1的栅极电压VG2变为：
VG2＝VREF+(Vin-VREF)×(R3+R4)/(R3+R4+R5)     (4)
功率器件Q1的源级电压VD＝Vin，此时：
VD-VG2<VQT           (5)
功率器件Q1导通，Vout≈Vin。
功率器件Q1导通后，比较器U1的反相输入端电压VU1-变为：
VU1-＝Vin×R2/(R1+R2)+Vout×(R1R2)/[R1R2+(R1+R2)×R6]    (6)
即当Vin×R2/(R1+R2)>VREF时，由于第六电阻R6的存在，VU1-将一直大于VREF，井下稳压电源持续向用电负载提供稳定的直流电能，当Vin电压值下降时，只有当Vin×R2/(R1+R2)<VREF-Vout×(R1×R2)/[R1×R2+(R1+R2)×R6]时功率器件Q1才会关断，则功率器件Q1的开启阈值VTH＝VREF，关断阈值VTL＝VREF-Vout×(R1×R2)/[R1×R2+(R1+R2)×R6]，具有迟滞特性，从而能避免当井下稳压电源的输出电压Vin在基准电压VREF附近波动时，功率器件Q1频繁开启，有利于用电负载的安全、稳定工作，有利于保护功率器件Q1因频繁导通/关断而烧毁，从整体上提升了工具的使用性能。
本发明实例中，设计开关电路开启阈值VTH＝27V，关断阈值VTL＝23V，当井下稳压电源的输出电压Vin上升至大于VTH时，井下稳压电源向用电负载正常供电，当井下稳压电源的输出电压Vin下降至小于VTL时，井下稳压电源与用电负载间的连接断开，用电负载停止工作。
本发明的目的在于在石油钻井工具的供电系统中，在井下稳压电源和用电负载之间设计一种开关保护电路，当井下稳压电源的输出电压符合开关阈值时，正常为负载供电，否则，断开井下稳压电源与用电负载之间的连接，以保证用电负载的稳定、正常运行。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。