井下仪器高温电路设计方法探析

1、井下仪器高温电路设计方法探析摘要 目前 ,高温电路的运用范围越来越广泛 ,高温电 路的设计也越来越引起人们的高度关注。本文对井下高温电 路的设计方法进行了研究 ,通过对电路结构进行优化、 对半导 体器件加以选择和对低功耗采用的一定设计方法的实施,可以保障井下仪器在高温环境下无故障、正常运行。关键词 井下仪器 ;高温电路 ; 设计方法 中图分类号 TE358 文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2010)25-0090-02在石油勘探时 ,深井探测器会需要高温电路 ,在几百米甚 至上千米深的深井中 ,温度极高、压力巨大 ,且伴随有剧烈震 动。在这样的环境下 ,怎样保证井下仪器的电子系统

2、在如此高 温、苛刻的条件下能正常工作 ,需要对井下仪器高温电路进行 周密、独特的设计。1 电路受温度系数的影响1.1 高温电子器件方面 任何电子元器件都有其最高限制温度 ,器件在进行工作 时自身的温度由于受功耗的影响要比环境温度高。在对井下 仪器电路设计时 ,要严格保证各器件在工作运行时的温度不超过其最高限制温度。关于电子器件的高温设计有如下方面 的结论 :1）器件的选择使用方面在对器件的选择使用上 ,以最大允许温度为参考 ,尽量选 择最大允许温度高的器件。2）电路的设计方面 在对电路的设计方面 ,要尽量减少其功耗 ,达到使器件散 热性要求降低 ,提高其工作可靠性的目的。3）器件选择及电路设计

3、的综合考虑方面 通过减少热阻及增加热导 ,使电子器件的最高允许温度 及低功耗要求得以降低来达到提高电子器件的高温特性。器 件的热阻由两部分构成 :一是芯片到其外壳的热阻 ;另一个是 从器件外壳到其周围环境的热阻。第一种热阻由多种因素决 定,例如 ,半导体芯片的粘结材料、芯片的尺寸、压焊丝的材 料、直径器件引线框的材料及结构以及器件外壳材料及其表 面积大小等。 后一种热阻不但与器件有关 ,更主要和组装件的 组装密度、结构材料、元器件与基板间距离、功率分布以及 散热的措施有关。1.2 半导体元器件方面 井下仪器高温电路的设计首先应解决的是元器件的问 题。现在集成电路元器件选用的制造材料其半导体通常

4、是一 种热敏材料。随温度的增加 ,其许多参数都会发生改变 ,输出阻抗降低、 功率损耗增加、 噪声增强 ,最终使得半导体的电子元器件的性能变坏 ,特性显著恶化。2 高温电路的几种设计方法目前高温电路的设计方法主要有 3 种:传统方法、混合电 路方法及专用功能方法。1）传统方法传统方法是针对普通环境所进行的系统设计,但在设计、制造时考虑了电子器件的高温特性 ,采用热设计、 调整器件功 率、选用耐高温的器件。该项技术对于短期内的应用切实可 行,但若要在高温条件下长期应用 ,其可靠度并不能得到保 证。2）混合电路方法 混合电路方法是一种介于传统技术与专用功能技术间 的技术方案 ,是通过在一块基体上同时

5、运用现成集成芯片和 薄厚膜技术来完成电路的实现。 该项技术较传统技术 ,其功耗 低且散热条件较好。 因此 ,在高温环境下其各方面的工作效果 都比传统电路要好。但同时该项技术的实施要比传统技术的 实施昂贵得多。3）专用功能电路方法 专用功能方法是专门为应用集成电路定制的一种技术 方法 ,经实验及研究结果证明其在高温电路的应用上效果最 佳。 它对于高温环境下电子器件的特性 ,如迁移率、 漏流及阈 值电压等都有很好的表现。4）3 种高温电路设计方法比较专用功能方法的功耗低、 体积小、寿命长、适用的温 度高且工作可靠性高 ;其唯一的缺点是开发设计所需的费用 高 ,周期长 ,高温设计更是如此。而传统电路

6、方法恰好与其相 反,混合电路则介于这二者之间。因此 ,在一般的环境设计应 用时提倡传统电路方法 ,只有当环境条件极为苛刻时再采用 混合电路方法 ,甚至是专用功能电路方法。3 低功耗设计方法 我们在选用高温电子器件及优化电路结构来实现电路 耐高温性能增强的同时 ,也要考虑该如何降低其系统功耗。 对 于集成电路的设计 ,降低其供电电压是实现功耗降低的最直 接、有效的方法 ,但在实际操作中 ,电压的降低会增加门电路 的输出延迟。 降低系统功耗的另外一种思路是实施降频,进行有选择性的降频措施。而最有意义的降低功耗的设计方法是 设法使负载容抗降低。 在电路设计中要想使功耗降低 ,可从硬 件及软件设计方面

7、采取一定的措施。3.1 硬件设计方面1）器件的选择上 ,要尽量选用具有高温节能的集成芯片 , 此类芯片对高温工作有很好的保障 ,且功耗较小 ;2）在确保电路性能前提下 ,可采取降低电源工作电压的 措施 ,提高电源的转化效率 ;3) 对电路进行简化 ,尽量减少元器件的数量 ;4) 对于智能型仪器可采用 CPU 的计算、处理功能取代硬 件电路 ,使硬件得到软件化。3.2 软件设计方面1) 尽量用软件取代硬件来达到降低功耗、降低成本、提 高工作的可靠性、维护、升级等 ;2) 运用微处理器自身的电源管理功能 ;3) 利用中断等减少耗电 ;4) 运用软件手段与具体应用结合来减少耗能。综上所述 ,我们可以通过优化电路结构、 选用耐高温电子 器件、采取低功耗设计措施等实现井下仪器高温电路的设计 保证其正常无故障运行。参考文献1 池伟 ,李成 .提高测井仪器耐高温性能方法的研究 J. 传 感技术学报 ,2007(8).2 姜国 .井下仪器高温电路设计方法研究 J.石油仪器 , 2005(3).3 超高温高压 (HPHT)测井 J.国