基于MOS管測(cè)井儀器開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

(中國(guó)石油集團(tuán)大慶鉆探工程公司測(cè)井公司 黑龍江 大慶 163412)

·開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)·

基于MOS管測(cè)井儀器開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

吳丹

(中國(guó)石油集團(tuán)大慶鉆探工程公司測(cè)井公司 黑龍江 大慶 163412)

為了解決機(jī)械式繼電器在測(cè)井儀頻繁使用過(guò)程中，產(chǎn)生的觸點(diǎn)燒蝕故障率高、功耗和發(fā)熱量大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型井下開(kāi)關(guān)電路。該井下開(kāi)關(guān)電路是利用MOS管輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)可控制輸出回路電流的特點(diǎn)，具有可靠性高、開(kāi)關(guān)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)論述了MOS管開(kāi)關(guān)特性，MOS管開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)原理及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)情況。

開(kāi)關(guān)電路；MOS管；繼電器

0 引 言

根據(jù)測(cè)井項(xiàng)目需要，井下儀器電路大多設(shè)計(jì)有雙向通訊功能。地面設(shè)備下發(fā)命令，由井下單片機(jī)接收命令并控制電路的運(yùn)行和關(guān)斷。這種命令控制的實(shí)現(xiàn)需要開(kāi)關(guān)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此要求井下儀器開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)具有可靠、穩(wěn)定、耐用的特點(diǎn)。

一般測(cè)井儀開(kāi)關(guān)電路是使用機(jī)械式繼電器作為開(kāi)關(guān)，其優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單、靈活，但普通繼電器觸點(diǎn)燒蝕故障率高[1]，導(dǎo)通后的功耗和發(fā)熱量大。在地面可控測(cè)井儀使用中，由于開(kāi)關(guān)次數(shù)頻繁，使用強(qiáng)度大，容易造成儀器在工作過(guò)程中因機(jī)械式繼電器故障導(dǎo)致測(cè)井中斷的情況，甚至損壞傳感器等，并且繼電器的更換極為不便。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種基于MOS管的開(kāi)關(guān)電路，它具有高可靠性、高耐用性、開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

1 MOS管開(kāi)關(guān)特性簡(jiǎn)述

MOS場(chǎng)效應(yīng)管[2]是一種利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的半導(dǎo)體器件。MOS管分為P溝道增強(qiáng)型、P溝道耗盡型、N溝道增強(qiáng)型和N溝道耗盡型4種類型。它本身具有開(kāi)關(guān)特性，在給源極S和漏極D之間加上正確極性和大小的電壓(因?yàn)楣苄投?后，再給柵極G和源極S之間加上控制電壓，就會(huì)有相應(yīng)大小的電流從源極S流向漏極D。但繼電器與MOS管不能進(jìn)行簡(jiǎn)單的替換，這是MOS管本身特性所決定，柵-源電壓UGS(ON)即導(dǎo)通電壓[3]一般在±10 V～±20 V左右，而且導(dǎo)通電壓越大，導(dǎo)通速度越快，壓降越低[4]。而測(cè)井儀是由井下單片機(jī)控制，I/O口輸出控制電壓僅為+5 V，既無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)P溝道MOS管，而N溝道MOS管，壓降也可達(dá)50%左右。

2 MOS管開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

本文采用雙MOS管四通道級(jí)聯(lián)傳遞式連接，柵源導(dǎo)通電壓只采用單一+5 V控制，不增加測(cè)井儀原有電路復(fù)雜性即可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。本文所使用MOS管芯片為FDS4559，該芯片集成有N溝道和P溝道兩類，封裝類型SO-8，如圖2。在實(shí)際應(yīng)用中也可采用其他型號(hào)場(chǎng)效應(yīng)管替換。

圖1 P型MOS管電路圖符號(hào)

FDS4559芯片的G1、S1、D1分別為N溝道MOS管的柵極、源級(jí)和漏極，G2、S2、D2分別為P溝道的柵極、源級(jí)和漏極。

當(dāng)NMOS管0

圖2 FDS4559封裝圖

當(dāng)Vgs不斷增大直到Vgs>UGS(ON)時(shí)，通態(tài)電阻可降為毫姆級(jí)，此時(shí)MOS管處于完全導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)PMOS管Vgs

本文設(shè)計(jì)MOS管開(kāi)關(guān)電路如圖3所示。CTL輸入端為井下單片機(jī)輸出儀器開(kāi)機(jī)啟動(dòng)控制信號(hào)，in ±15 V輸入端為測(cè)井儀井下電源提供的直流電，out ±15 V輸出端為向儀器傳感器提供的直流電源。

當(dāng)CTL=0 V時(shí)，即儀器控制信號(hào)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)：

圖3 MOS管開(kāi)關(guān)電路原理圖

1)M1的N溝道關(guān)閉，S1與D1處于斷路狀態(tài)，此時(shí)VG2=VD1=+15 V，M1的P溝道也關(guān)閉，S2與D2也處于斷路狀態(tài)，M1的out+15 V輸出端等于0。VS2=VS1=+15 V。

2)M2的P溝道因VS1>0關(guān)閉，S2與D2處于斷路狀態(tài)，此時(shí)VG1=VD2=-15 V，M2的N溝道也關(guān)閉，S1與D1也處于斷路狀態(tài)，M2的out-15 V輸出端等于0。由于±15 V輸出均為0，此時(shí)傳感器處于關(guān)閉狀態(tài)。

當(dāng)CTL=+5 V時(shí)，即儀器控制信號(hào)處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)：

1)M1的N溝道打開(kāi)，S1與D1處于閉合狀態(tài)，由于S1端接地，此時(shí)VG2=VD1=0 V，M1的P溝道也打開(kāi)，S2與D2也處于閉合狀態(tài)，M1的out+15 V輸出端等于+15 V。VS2=+15 V，VS1=0。

2)M2的P溝道因VS1=0打開(kāi)，S2與D2處于閉合狀態(tài)，此時(shí)VD2=VS2=+15 V，VG1=VD2=+15 V，M2的N溝道也打開(kāi)，S1與D1也處于閉合狀態(tài)，M2的out-15 V輸出端等于-15 V，此時(shí)傳感器處于開(kāi)啟狀態(tài)。

圖中電阻為限流電阻，當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，瞬時(shí)電流非常大，極易損壞MOS管，因此串接一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮鑱?lái)限制瞬時(shí)電流值。穩(wěn)壓二極管用于保護(hù)M2，避免反向電流沖擊并防止電流過(guò)大。電容起到去除電源干擾噪聲作用。

3 MOS管開(kāi)關(guān)電路實(shí)驗(yàn)

將實(shí)驗(yàn)板搭好的MOS管開(kāi)關(guān)電路連接至帶電機(jī)測(cè)井短接，該電機(jī)接正負(fù)電，進(jìn)行有負(fù)載下的正反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)。測(cè)量NMOS管開(kāi)通時(shí)的漏極電流Id，漏極電壓Vds，柵源電壓Vgs，并檢測(cè)電機(jī)電流是否正常，如表1。測(cè)量PMOS管開(kāi)通時(shí)的漏極電流Id，漏極電壓Vds，柵源電壓Vgs，并檢測(cè)電機(jī)電流是否正常，如表2。該開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度為微秒級(jí)[5]，與繼電器開(kāi)關(guān)速度無(wú)明顯差異，實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有對(duì)帶電機(jī)測(cè)井短接產(chǎn)生影響。

表1 M1P溝道負(fù)載電壓電流 單位V/mA

表2 M2N溝道負(fù)載電壓電流 位V/mA

4 結(jié) 論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明該基于MOS管開(kāi)關(guān)電路在輸出功率、開(kāi)關(guān)速度、壓降等方面完全符合測(cè)井儀的要求，同時(shí)它具有高可靠性、高耐用性、成本低、更換方便等優(yōu)點(diǎn)。該方法可使裝有精密傳感器的井下儀器在復(fù)雜環(huán)境中工作時(shí)提供可靠的開(kāi)關(guān)性能。

[1] 范瑩瑩,姜巖峰.基于MOS管的新型轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)在集成電路測(cè)試中的應(yīng)用[J].電子測(cè)試，2012，16(4):66-71.

[2] 亢寶位.場(chǎng)效應(yīng)晶體管理論基礎(chǔ)[M].北京: 科學(xué)出版社, 1985:194-196.

[3] 童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2001:34-45.

[4] 張明興.導(dǎo)通電阻為零的模擬開(kāi)關(guān)[J].電子技術(shù),1986，23(12):38-39.

[5] 韓新峰，顧衛(wèi)民.集成電路中MOS管導(dǎo)通電阻測(cè)量方法[J].電子與封裝,2016，34(11):34-37.

DesignofSwitchCircuitinLoggingToolBasedonMOSPipe

WUDan

(WellLoggingCompany，DaqingOilfieldDrillingEngineeringCompany,Daqing，Heilongjiang163412，China)

A new downhole switching circuit has been developed to address the proble ms of high failure rate of contact ablation, high power assumption and high heat emission caused by frequent use of mechanical relay. Applying the field effect of the MOS input circuit to control the current of the output circuit, the new switching circuit has gained advantages of high reliability, rapid switching speed and low cost. This paper has detailed the switching characteristics, design principles and laboratory experiments of the MOS pipe.

switching circuit; MOS pipe; relay

吳丹，女，1982年生，工程師，2008年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)，現(xiàn)主要從事測(cè)井儀器的研發(fā)工作。E-mail:18233580@qq.com

P631.4+3

A

2096-0077(2017)05-0012-02

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.004

2017-02-07編輯馬小芳)