石油測井在特定環(huán)境下高溫電子線路的設(shè)計(jì)方法

摘#8195;要 本文通過對電子線路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、半導(dǎo)體器件的選擇和低功率的設(shè)計(jì)等，對高溫電子線路在石油測井這一特定環(huán)境下的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，保證了高溫環(huán)境下，基于PCB的電路能夠無故障的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞 石油測井；高溫電子線路；設(shè)計(jì)方法

中圖分類號 TM 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)031-0102-01

如何保障電子系統(tǒng)在高溫環(huán)境下正常的運(yùn)作，是本文研究的主要的問題。因?yàn)?，在石油測井時(shí)，儀器通常都是在井下幾千米以上的深井中工作，這種環(huán)境通常伴有：劇烈震動、壓力大以及溫度高等特點(diǎn)。電子線路將很難在這種環(huán)境下保持正常的運(yùn)作。

1 溫度對電路的影響

溫度對電子線路的影響最主要還是對電子元件的影響。隨著溫度的變化，使得電子元件的一些特征和性能產(chǎn)生變化，從而影響到電路。

1）溫度半導(dǎo)體元件的影響。設(shè)計(jì)高溫電路，則必須先解決元件的問題。半導(dǎo)體是現(xiàn)代集成電路元件的主要材料，它一種熱敏材料，隨著溫度升高，它的許多參數(shù)也將會隨之變化，特別是本征承載流子的密度還與溫度成正比，從而使得PN結(jié)的反向電流增加的很明顯，進(jìn)而導(dǎo)致功率損耗增加，噪聲增大以及阻抗降低，最后，隨著溫度逐漸的升高，電子元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞，致使電子元件的性能受損。有實(shí)驗(yàn)表明：隨著半導(dǎo)體結(jié)溫每10℃的增加，元件無故障時(shí)間將縮短一倍。所以，降低對半導(dǎo)體結(jié)溫的要求，是設(shè)計(jì)高溫電路的重點(diǎn)。

2）耐高溫的電子元件。所有電子元件都有其的高溫額制限度，由于元件工作自身也會產(chǎn)生溫度，所以工作時(shí)元件的溫度一般都會高于工作環(huán)境的溫度。設(shè)計(jì)時(shí)，元件工作最高的溫度不能超過其本身的溫度允許值。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)：①元件的選擇上，應(yīng)盡量額選擇溫度最高允許值大的的元件。在選擇半導(dǎo)體元件時(shí)，應(yīng)該注意不宜選用結(jié)溫較低的鍺件，而應(yīng)該選用結(jié)溫較高的硅件；②盡可能的減少電路系統(tǒng)功率的消耗，降低元件散熱性的要求；③在設(shè)計(jì)上盡可能的增加熱導(dǎo)和減少熱阻，促使降低低功率消耗和最高允許結(jié)溫的要求。元件的熱阻是有兩個部分組成的。其分別是，件外熱阻：電子元件外殼到周圍環(huán)境的熱阻；件內(nèi)熱阻：電子芯片內(nèi)部到外殼之間的熱阻。確定件外熱阻的因素有多種。一般是由：器件引線框材料和結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體芯片的尺寸，壓焊絲材料，芯片粘結(jié)材料，表面積的大小和直徑以及器件外殼的材料所決定的。而件內(nèi)熱阻主要和組裝件的組裝密度、元件、結(jié)構(gòu)材料、功率分布等等有關(guān)。

2 設(shè)計(jì)高溫電路

高溫電路的設(shè)計(jì)目前有三種方法可以實(shí)現(xiàn)。其分別是：傳統(tǒng)、混合電路、HTASIC方法。

1）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法一般只是在設(shè)計(jì)和制造時(shí)將高溫特性考慮進(jìn)去的依照普通環(huán)境進(jìn)行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法既要使用一些熱設(shè)計(jì)去調(diào)整元件的功率，還得選用耐高溫元件，但要在150℃以上的高溫環(huán)境下正常工作還是很難實(shí)現(xiàn)的。別的高溫元件也大概如此。不過可以用降溫的方法來降低電路的溫度，促使儀器內(nèi)溫度保持長時(shí)間在150℃以下，完成所需的測量。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，對于短期的應(yīng)用時(shí)可行的，甚至一些很復(fù)雜的電路也能用到。然而在長期的高溫下應(yīng)用，可靠性不高。因?yàn)?，電路的無源與有源部分之間的互聯(lián)部分在長期的應(yīng)用下很容易老化。

2）混合電路設(shè)計(jì)的方法。我們將同時(shí)在一塊基體上應(yīng)用現(xiàn)成集成芯片和薄厚膜技術(shù)的方法稱之為混合電路設(shè)計(jì)的方法。它是一種介于HTASIC和傳統(tǒng)之間的方法。相對于傳統(tǒng)技術(shù)，混合電路的功耗要低；而且，在高溫工作環(huán)境下的各種效果都要比傳統(tǒng)電路要好。

3）HTASIC設(shè)計(jì)方法。相對于傳統(tǒng)電路和混合電路，集成電路技術(shù)在高溫條件下應(yīng)用的效果肯定是最好的。在一些典型的高溫環(huán)境系的特性它都有很好的表現(xiàn)。能適應(yīng)的最高工作環(huán)境高達(dá)250℃。

應(yīng)用集成電路的好處：①隨著能夠集成在芯片上的功能的增多，處于外部的電子元件的數(shù)量也將逐漸減少；②集成電路相對分離電路其內(nèi)部元件的尺寸要小的多，所以，大大的降低了功耗，也避免了芯片內(nèi)部過熱；③由于芯片內(nèi)所有功耗元件都可以通過物理延伸或調(diào)整到避免本地過熱點(diǎn)產(chǎn)生，就使得集成元件在高溫環(huán)境下有了更高的保證。

3 低功耗的設(shè)計(jì)

高溫電路的設(shè)計(jì)，在于提高電路系統(tǒng)高溫環(huán)境下正常工作的時(shí)間。上述在采用耐高溫元件、優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還應(yīng)該考慮降低系統(tǒng)的功耗，減少熱量的釋放。

減低集成電路芯片功耗的設(shè)計(jì)最主要的研究內(nèi)容是：如何有效的降低芯片功耗和如何通過軟件硬件的優(yōu)化在保持本來性能的前提下，使得總體功耗在一個較低值上。集成電路芯片所產(chǎn)生的功耗，最主要的是來源于電路邏輯狀態(tài)所產(chǎn)生的動態(tài)功耗。所以，降低功耗最直接有效的方法是降低供電電壓。只是這樣經(jīng)常會增加電路輸出延遲。另外一種方法就是降低頻率，有選擇的降低頻率可以再降低功耗的同時(shí)，保證系統(tǒng)的性能不受影響。而降低負(fù)載容抗的的方法，是實(shí)際中降低功耗最有意義的方法。

所以，在電路實(shí)際中降低功率消耗，可以從硬、軟件的設(shè)計(jì)采取

措施。

1）硬件設(shè)計(jì)。①元件上，盡可能的采用功耗小，可勝任高溫工作要求的高溫低供電集成芯片；②在電路性能得到保證的前提下，進(jìn)可能的提高電源轉(zhuǎn)化效率和降低電源工作電壓；③在保證電路性能的情況下盡量的減少元件數(shù)量，簡化電路；④如果儀器是智能型的，則可以充分的利用中央處理器的運(yùn)算、處理功能代替硬件電路。

2）軟件設(shè)計(jì)。①盡可能的硬件軟件化來實(shí)現(xiàn)功能。這樣有利于降低成本，降低功耗，偏于維護(hù)和升級，還能提高工作的可靠性；②電源管理功能最好使用微處理器自身所帶的；③采用可用的各種手段減少耗電；④結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，盡量利用軟件手段減少耗能。例如：石油井下測量采樣時(shí)，可以于事先預(yù)算好最好的采樣方針，在不影響測量效果的前提下，盡量減少功耗；⑤在應(yīng)用的過程中應(yīng)該注意：要仔細(xì)檢查各元件，特別是集成電子芯片的工作狀態(tài)。考察其是否能夠正常運(yùn)作以及其各種性能是否健全。如果不能，應(yīng)當(dāng)及時(shí)給予處理。

4 小結(jié)

經(jīng)過對耐高溫電子元件的選擇、電子線路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和降低電路系統(tǒng)功耗的設(shè)計(jì)，基于PCB的高溫電路時(shí)可以實(shí)現(xiàn)的。實(shí)踐也證明該電子系統(tǒng)能夠在250℃以下的高溫環(huán)境下正常運(yùn)作。

參考文獻(xiàn)

[1]Akira Matsuzawa. Low-voltage and low-power circuit design for mixed analog/digital systems in portable equipment. IEEE Journal of Solid-State Circuit.1994，29(4).

[2]Moyer， B. Low-power design for embedded processors. Pronceedings of the IEEE Circuits and Systems Magazine，2001，1(1).

[3]童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第三版)[M].北京:高等教育出版社，2003.

作者簡介

李愉兵（1983—），男，職稱：助理工程師，單位：中船重工第七一五研究所。