【摘要】本文针对LC并联谐振负载，分析了DE类功率放大器的等效模型，以研究如何提升感应测井仪发射电路的效率;利用器件的Spice模型在软件上对电路进行了仿真，效率达到95%以上。为控制发射电流的幅度，对一种基于开关电源的幅度调节方案作了仿真，根据结果分析了影响发射电路整体效率的因数。
【关键词】感应测井;发射电路;DE类功放;线圈;谐振回路
Abstract：In this paper， an equivalent model of a class DE power amplifier with a LC parallel resonant load is analyzed， so as to improve the efficiency of transmitting circuit for induction logging tools. The simulated efficiency is over 95%， based on the output data of a simulation with spice model. In order to control the amplitude of transmitting current， a controlling scheme with switching power supply is simulated. According to the simulation data， an analysis on the impact factors of the overall efficiency is given.
Key words：Induction Logging;Transmitting Circuit;Class DE power amplifier;Coil;Resonant Circuit
0.引言
在感应测井仪中，功率放大器是功率消耗最大的电路模块之一。为防止仪器的元部件过热，在效率一定的情况下，功率越大所需要的散热器的面积就越大。所以过大的功率损耗会导致仪器的机械结构复杂，不利于生产和检修。为了让发射电路实现高效率的工作，可以使用DE类功率放大器，并使用电容与线圈形成LC谐振回路作为负载。测井仪器需要能在很宽温度范围内工作，仪器的电子线路和发射线圈的温飘，都会引起激励电流的变化。幅度过大时将缩短电路模块的寿命，严重时，将导致发射电路直接烧毁，过小的话地层信号将变得很微弱，导致测量的信噪比下降。为满足仪器可靠性的要求，应该使用功率控制技术，将发射线圈的电流稳定在一定范围之内。
1.DE类功率放大器
DE类功率放大器，大多应用在音频信号的功率放大，所使用的功率器件一般是金氧半场效晶体管（MOSFET），工作时处在开关状态，即导通或者关闭。此类功放的效率在理论上可以接近100%，但是，实际上，器件存在一定的导通电阻，并且在状态反转时，本身也会消耗一些功率，设计得当的话，效率可以大于90%[1][2]。
此类功放的结构形式较多，负载大都是阻性的。本文讨论的感应测井仪的功放则不一样，它需要在发射线圈上激励几安培的交变电流。因为线圈是感性器件，所以需要使用合适的电容组成谐振回路，那么本文的功率放大器驱动的是LC谐振（并联或者串联）负载。图1（a） 和（b）分别是并联谐振功放电路及其等效电路模型[2][3][11]。
图1 DE类功率放大器
图1（a）中两只大功率的N沟道MOSFET轮流导通，通过隔离变压器激励谐振负载，MOSFET的栅极开关信号来自控制电路，相位差为180度，占空比均为50%。在仿真中，大部分器件采用有损耗的模型，其中线圈的损耗电阻是rL。那么对于开关频率为f的控制信号，功率损耗主要有以下几个方面[3]：
（1）两只MOSFET的导通电阻rDS引起的功率损耗
（1）
（2）在开关开启的时间ton内，输出电容Coss导致的切换损耗
（2）
（3）扼流圈（RFC）的损耗
（3）
（4）谐振电容的损耗
（4）
电源输出的总功率为
（5）
输出功率就是线圈消耗的功率
（6）
那么发射电路的整体效率
（7）
通过瞬态仿真可以得到相关参数在一个信号周期内的波形，计算对应的有效值，就可以求出具体的输出功率、功率损耗和工作效率。
2.瞬态仿真
感应测井仪的发射频率一般落在10KHz ～100KHz的范围内，本文的功率放大器工作在50KHz，电路的仿真工作均基于Advanced Design System平台，所用电源的电压VCC为48V。
利用阻抗测试仪，测量发射线圈在50KHz的电感值L为35.5uH，损耗电阻rL为0.6;RFC的电感LRFC=500uH，损耗电阻rRFC=0.1;谐振电容C=28.5pF，耗散因子D<0.0005，其损耗可以忽略不计。MOSFET器件的型号是IRFR13N20，其Spice模型来自生产商，它的导通电阻rDS为0.235，输出电容Coss=140pF。漏极-源极之间的击穿电压CDSS>200V，我们把驱动变压器（匝比为1：1：1）当作理想变压器，不考虑其功率损耗。
占空比为50%的互补控制信号的周期为20us，高电平幅度为6V。图2（a、b、c、d）是相关参数在40us内的波形，两只MOSFET分别在半个周期内导通，最高的漏極电压低于160V，在安全值以内。计算得出，发射电流的有效值ILrms=4.750A，电源电流的有效值ICC=0.295A，由式（5）、（6）和（7）可以得到功放的效率=95.6%。
图2 瞬态仿真的波形
3.功率调节
采用谐振功率放大电路的感应测井仪在工作时，其发射电流存在不稳定的问题，比如温度变化或者器件老化会引起元部件参数发生改变，包括线圈损耗电阻rL、MOSFET导通电阻rDS和RFC损耗电阻rRFC。为了实现发射电流的调控，本文采用了输出可调的直流转直流（DC/DC）型开关电源的方案，如图3（a）所示。仿真工作考察了电源电压在12V～48V变化时，功放的供电电流、发射电流、及功放效率的变化，如图3（b、c、d）所示。
图3 工作参数与电源电压的关系曲线
由整理后的仿真结果可见，改变电源电压时，发射电流跟电源的变化呈现线性关系，那么通过数字控制算法，就能在发射线圈上得到所需幅度的电流。在12V～48V的范围内，虽然效率随着电压的增大而降低，但还是高于95%。
4.結论
在感应测井仪的发射电路中使用DE类谐振功率放大器，能够利用其高效率的优点显著降低系统对散热的要求，但同时需要解决发射电流不稳定的问题。本文的仿真结果显示，在不计驱动变压器的损耗时，DE类功率放大器具有高达95%的效率。但在实际的发射电路中，驱动变压器是存在一定损耗的。因此，要实现高效率的发射，使用低损耗的驱动变压器是必需的。此外，使用输出电容和导通电阻更小的MOSFET也能提升效率。在调整电源电压时，DC/DC本身的转换效率也将影响发射电路的整体效率。
参考文献
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