隨鉆測井技術(shù)中耐高溫電路系統(tǒng)的研究

殷鑫 魯超

摘 要：為了深入了解測井過程中由于高溫環(huán)境給電子元件制造以及電路設(shè)計帶來的新的挑戰(zhàn)，本文以實際工作中應(yīng)用到的電路為例，針對高溫環(huán)境（≥175℃）下電路性能的影響因素進行了綜合分析，分別闡述了在電路設(shè)計時的注意事項與基本要求;同時，針對井下隨鉆測控的工況環(huán)境，進行了電路設(shè)計、電路焊接以及制作工藝等環(huán)節(jié)的相關(guān)研究。結(jié)果表明，針對井下高溫環(huán)境這一特殊的應(yīng)用場景，在電路的設(shè)計方面不可單獨依照器件文檔給定參數(shù)進行，應(yīng)結(jié)合井下環(huán)境綜合考慮并以最終實驗數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：高溫;隨鉆測量;熱損傷;可靠性;電路工藝

隨著石油工業(yè)的不斷發(fā)展和持續(xù)多年來的開采，目前容易開采的資源越來越少，更多的油氣田要在更大的深度下進行，通常更深的位置其溫度更高。目前，針對井下高溫環(huán)境下的電子設(shè)備應(yīng)用國內(nèi)外都進行了不同程度的研究，Jeff Watson和Gustavo Castro從器件應(yīng)用、高溫元器件制作、高溫電路系統(tǒng)設(shè)計考量等幾個方面對高溫環(huán)境下的電路進行了分析。近年來更多的研究側(cè)重于耐高溫半導(dǎo)體材料和器件，包括基于硅基SOI器件[1]、GaN器件以及碳化硅器件的研究。目前國內(nèi)外均有高溫環(huán)境下的測井儀器產(chǎn)品，然而針對高溫隨鉆測井這一應(yīng)用背景下的高溫電路的相關(guān)設(shè)計方法和工藝研究卻很少報道。在高溫（≥175℃）環(huán)境中，電子系統(tǒng)電路板的板材、焊料以及元器件材料的物理特性都較室溫（25℃）有較大改變，導(dǎo)致元器件的各項電氣性能和電路的整體性能發(fā)生變化。本文在此方面開展研究，采用綜合考慮元器件、材料以及制作工藝等各個方面因素進行電路系統(tǒng)設(shè)計的方法，從而提高了井下隨鉆儀器的整體穩(wěn)定性和可靠性。

1 元器件材料的物理性能差異

電路失效很大一部分原因是電路在電應(yīng)力（Electric Stress）以及負(fù)載功率和環(huán)境溫度三重作用下，導(dǎo)致部分元器件的結(jié)溫超過額定值，進而形成熱損傷，表現(xiàn)為電壓型損傷和電流型損傷。在元器件選型時，需要根據(jù)電路負(fù)載特性和信號走向等等需要選擇合適的元件材料。

圖1為三種熱敏電阻的電阻率與溫度的變化曲線，其中NTC表示負(fù)溫度系數(shù)、PTC表示正溫度系數(shù)、CTR表示臨界溫度系數(shù)。在電路設(shè)計時不但要考慮其額定參數(shù)，還需要結(jié)合應(yīng)用場合和溫度響應(yīng)曲線進行各種補償，以確保性能穩(wěn)定。

2 電路的額定功率與負(fù)載特性

電路設(shè)計中常見的故障是電路的負(fù)載特性和安全余量考慮不充分，使得電路大多時間工作在安全區(qū)的邊緣，一旦外部環(huán)境有所改變或波動，極易發(fā)生故障，這點在電源和功率器件上表現(xiàn)尤為明顯，從而大幅降低了電路的穩(wěn)定性和可靠性。以開關(guān)電源為例，在電氣技術(shù)指標(biāo)滿足正常使用要求的條件下，為使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，必須設(shè)計多種保護電路，比如防浪涌的軟啟動，防過壓、欠壓、過熱、過流、短路、缺相等保護電路[2]。

此外，隨著印制電路板上原件組裝密度和集成度越來越高，功率消耗越來越大，必須在電路設(shè)計時注意熱管理。除了功率較大器件做好散熱處理、熱敏器件盡量遠離熱源等等外，還需要注意即使使用耐高溫元器件也同樣需要考慮其自身功耗。額外的功耗會增加結(jié)溫，一旦超過元器件的額定值，會極大降低器件的生命周期。

因此，實際設(shè)計時還需要留出足夠的安全區(qū)。一般設(shè)計時不是按照曲線1進行設(shè)計，而且降額至75%來進行處理，以期改善電路的可靠性。

根據(jù)電路中不同應(yīng)用環(huán)境和功率、負(fù)載等特點，一般需要考慮以下幾種情況：①不同廠家生產(chǎn)的同功能器件，由于各自工藝不同，設(shè)計時降額系數(shù)不同;②接口阻抗特性不同（阻性、感性、容性），降額系數(shù)不同;③散熱性能、功率特性以及布局不同，降額系數(shù)不同;④特殊要求的參數(shù)不可降額。

3 不同電路單元的響應(yīng)特性差異

在電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每一個電路系統(tǒng)都可以等價為二元的單元模塊，每個單元模塊接口的阻抗特性也各有差異，所以在電路調(diào)試的時候經(jīng)常出現(xiàn)：原理圖正確，連接設(shè)計也沒有問題，但實際工作表現(xiàn)卻不盡如人意。如果電路的安全余量不足，當(dāng)高溫負(fù)載特性降低時，還會對儀器可靠性造成影響。

以開關(guān)電源系統(tǒng)為例，有正激、反激、推挽、半橋、全橋等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)因為其原理不同，在電氣性能指標(biāo)上各有優(yōu)缺點[3]：①正激：瞬態(tài)響應(yīng)快、負(fù)載能力強，但是觸發(fā)電動勢電壓較高;②反激：（下轉(zhuǎn)第68頁）（上接第66頁）成本低、電路簡單，但是輸出紋波、漏感大;③推挽：瞬態(tài)響應(yīng)快、轉(zhuǎn)換效率高，但是磁芯電流大、對開關(guān)管耐壓要求高;④橋式：輸出功率大、轉(zhuǎn)換效率高，但是開關(guān)管損耗大、對直流內(nèi)阻要求高。

當(dāng)負(fù)載波動時，作用在元器件上的非線性負(fù)載反作用應(yīng)力會成幾何級數(shù)放大。在電路設(shè)計時，我們經(jīng)常為了避免后級電路受到電源波動的影響，會增加感性器件作為簡單保護。如果不增加該感性器件，在電源波動時可能對控制電路產(chǎn)生較大干擾，也可能影響其穩(wěn)定性，也可能不影響。但是中斷續(xù)開關(guān)類的驅(qū)動電路連接在感性器件后端，這類電路的接口如果是容性的，在開關(guān)動作的瞬間會將線路上的電壓拉低，從而影響后級控制電路的工作穩(wěn)定性;需要將其放置在感性器件前端，當(dāng)斷續(xù)開關(guān)類驅(qū)動開關(guān)的瞬間，由于感性器件電流不能瞬變，可以保證后級控制電路相對穩(wěn)定的運行。

4 電路焊接及封膠工藝

井下隨鉆儀器不但要面臨環(huán)境溫度，還需要適應(yīng)其井下復(fù)雜的振動和沖擊工況。由于高溫焊料一般不含鉛，焊料融化時流動性較差，在與焊盤融合時容易產(chǎn)生空洞、氣隙或氧化層，這些隱患在高溫和振動的復(fù)合應(yīng)力作用下，極易產(chǎn)生故障;而且焊點較含鉛的硬，這對制板的封裝以及元器件的擺放和板材都提出了更高的要求[4]。尤其是手焊時，難以控制焊接時間和錫料，從而帶來更多隱患。

為了減少振動對線路板的影響，特別是元器件的影響，制板電路一般會經(jīng)過多層封膠處理，并且確保高溫環(huán)境下留足膠體膨脹空間，使得膠體不對元器件或焊盤施加作用力。封膠一般包括三層：底層三防漆噴涂和元器件固定、內(nèi)層振動緩沖和外層支撐保護。

5 結(jié)論

本文給出了高溫電路設(shè)計的相關(guān)工藝設(shè)計。為了提高高溫振動環(huán)境下儀器的工作穩(wěn)定性和可靠性，除了電路設(shè)計和制作時的注意事項外，還需要綜合考慮電路尺寸、信號走線、元器件布局、電磁兼容、散熱、接地處理、接口連接等等與結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的部分，以及需要考慮不同批次的芯片在性能指標(biāo)方面的差異。

參考文獻：

[1]曹才開.開關(guān)電源保護電路的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2007（s1）：36-39.

[2]黃云生.電子電路PCB的散熱分析與設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[3]胡科堂.高電壓大功率開關(guān)電源拓?fù)潆娐返脑O(shè)計與研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.

[4]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2001.

基金項目：國家科技重大專項“低滲透油氣深層高溫高壓隨鉆測控技術(shù)”（項目編號：2016ZX05021-001）