井下儀器高溫電路設(shè)計方法探析

任平江

第七一五研究所，湖北 宜昌 443000

在石油勘探時，深井探測器會需要高溫電路，在幾百米甚至上千米深的深井中，溫度極高、壓力巨大，且伴隨有劇烈震動。在這樣的環(huán)境下，怎樣保證井下儀器的電子系統(tǒng)在如此高溫、苛刻的條件下能正常工作，需要對井下儀器高溫電路進(jìn)行周密、獨(dú)特的設(shè)計。

1 電路受溫度系數(shù)的影響

1.1 高溫電子器件方面

任何電子元器件都有其最高限制溫度，器件在進(jìn)行工作時自身的溫度由于受功耗的影響要比環(huán)境溫度高。在對井下儀器電路設(shè)計時，要嚴(yán)格保證各器件在工作運(yùn)行時的溫度不超過其最高限制溫度。關(guān)于電子器件的高溫設(shè)計有如下方面的結(jié)論：

1）器件的選擇使用方面

在對器件的選擇使用上，以最大允許溫度為參考，盡量選擇最大允許溫度高的器件。

2）電路的設(shè)計方面

在對電路的設(shè)計方面，要盡量減少其功耗，達(dá)到使器件散熱性要求降低，提高其工作可靠性的目的。

3）器件選擇及電路設(shè)計的綜合考慮方面

通過減少熱阻及增加熱導(dǎo)，使電子器件的最高允許溫度及低功耗要求得以降低來達(dá)到提高電子器件的高溫特性。器件的熱阻由兩部分構(gòu)成：一是芯片到其外殼的熱阻；另一個是從器件外殼到其周圍環(huán)境的熱阻。第一種熱阻由多種因素決定，例如，半導(dǎo)體芯片的粘結(jié)材料、芯片的尺寸、壓焊絲的材料、直徑器件引線框的材料及結(jié)構(gòu)以及器件外殼材料及其表面積大小等。后一種熱阻不但與器件有關(guān)，更主要和組裝件的組裝密度、結(jié)構(gòu)材料、元器件與基板間距離、功率分布以及散熱的措施有關(guān)。

1.2 半導(dǎo)體元器件方面

井下儀器高溫電路的設(shè)計首先應(yīng)解決的是元器件的問題?，F(xiàn)在集成電路元器件選用的制造材料其半導(dǎo)體通常是一種熱敏材料。隨溫度的增加，其許多參數(shù)都會發(fā)生改變，輸出阻抗降低、功率損耗增加、噪聲增強(qiáng)，最終使得半導(dǎo)體的電子元器件的性能變壞，特性顯著惡化。

2 高溫電路的幾種設(shè)計方法

目前高溫電路的設(shè)計方法主要有3種：傳統(tǒng)方法、混合電路方法及專用功能方法。

1）傳統(tǒng)方法

傳統(tǒng)方法是針對普通環(huán)境所進(jìn)行的系統(tǒng)設(shè)計，但在設(shè)計、制造時考慮了電子器件的高溫特性，采用熱設(shè)計、調(diào)整器件功率、選用耐高溫的器件。該項技術(shù)對于短期內(nèi)的應(yīng)用切實(shí)可行，但若要在高溫條件下長期應(yīng)用，其可靠度并不能得到保證。

2）混合電路方法

混合電路方法是一種介于傳統(tǒng)技術(shù)與專用功能技術(shù)間的技術(shù)方案，是通過在一塊基體上同時運(yùn)用現(xiàn)成集成芯片和薄厚膜技術(shù)來完成電路的實(shí)現(xiàn)。該項技術(shù)較傳統(tǒng)技術(shù)，其功耗低且散熱條件較好。因此，在高溫環(huán)境下其各方面的工作效果都比傳統(tǒng)電路要好。但同時該項技術(shù)的實(shí)施要比傳統(tǒng)技術(shù)的實(shí)施昂貴得多。

3）專用功能電路方法

專用功能方法是專門為應(yīng)用集成電路定制的一種技術(shù)方法，經(jīng)實(shí)驗及研究結(jié)果證明其在高溫電路的應(yīng)用上效果最佳。它對于高溫環(huán)境下電子器件的特性，如遷移率、漏流及閾值電壓等都有很好的表現(xiàn)。

4）3種高溫電路設(shè)計方法比較

專用功能方法的功耗低、 體積小、壽命長、適用的溫度高且工作可靠性高；其唯一的缺點(diǎn)是開發(fā)設(shè)計所需的費(fèi)用高，周期長，高溫設(shè)計更是如此。而傳統(tǒng)電路方法恰好與其相反，混合電路則介于這二者之間。因此，在一般的環(huán)境設(shè)計應(yīng)用時提倡傳統(tǒng)電路方法，只有當(dāng)環(huán)境條件極為苛刻時再采用混合電路方法，甚至是專用功能電路方法。

3 低功耗設(shè)計方法

我們在選用高溫電子器件及優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)電路耐高溫性能增強(qiáng)的同時，也要考慮該如何降低其系統(tǒng)功耗。對于集成電路的設(shè)計，降低其供電電壓是實(shí)現(xiàn)功耗降低的最直接、有效的方法，但在實(shí)際操作中，電壓的降低會增加門電路的輸出延遲。降低系統(tǒng)功耗的另外一種思路是實(shí)施降頻，進(jìn)行有選擇性的降頻措施。而最有意義的降低功耗的設(shè)計方法是設(shè)法使負(fù)載容抗降低。在電路設(shè)計中要想使功耗降低，可從硬件及軟件設(shè)計方面采取一定的措施。

3.1 硬件設(shè)計方面

1）器件的選擇上，要盡量選用具有高溫節(jié)能的集成芯片，此類芯片對高溫工作有很好的保障，且功耗較小；

2）在確保電路性能前提下，可采取降低電源工作電壓的措施，提高電源的轉(zhuǎn)化效率；

3）對電路進(jìn)行簡化，盡量減少元器件的數(shù)量；

4）對于智能型儀器可采用CPU的計算、處理功能取代硬件電路，使硬件得到軟件化。

3.2 軟件設(shè)計方面

1）盡量用軟件取代硬件來達(dá)到降低功耗、降低成本、提高工作的可靠性、維護(hù)、升級等；

2）運(yùn)用微處理器自身的電源管理功能；

3）利用中斷等減少耗電；

4）運(yùn)用軟件手段與具體應(yīng)用結(jié)合來減少耗能。

綜上所述，我們可以通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)、選用耐高溫電子器件、采取低功耗設(shè)計措施等實(shí)現(xiàn)井下儀器高溫電路的設(shè)計，保證其正常無故障運(yùn)行。

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