井下儀器高溫電路設(shè)計(jì)方法探析

1、井下儀器高溫電路設(shè)計(jì)方法探析摘要 目前 ,高溫電路的運(yùn)用范圍越來(lái)越廣泛 ,高溫電路的設(shè)計(jì)也越來(lái)越引起人們的高度關(guān)注。本文對(duì)井下高溫電路的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究 ,通過(guò)對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、 對(duì)半導(dǎo)體器件加以選擇和對(duì)低功耗采用的一定設(shè)計(jì)方法的實(shí)施,可以保障井下儀器在高溫環(huán)境下無(wú)故障、正常運(yùn)行。關(guān)鍵詞 井下儀器 ;高溫電路 ;設(shè)計(jì)方法中圖分類TE358 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào)1674-6708(2010)25-0090-02在石油勘探時(shí) ,深井探測(cè)器會(huì)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(dòng)。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

2、下能正常工作 ,需要對(duì)井下儀器高溫電路進(jìn)行周密、獨(dú)特的設(shè)計(jì)。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(shí)自身的溫度由于受功耗的影響要比環(huán)境溫度高。在對(duì)井下 儀器電路設(shè)計(jì)時(shí) ,要嚴(yán)格保證各器件在工作運(yùn)行時(shí)的溫度不超過(guò)其最高限制溫度。關(guān)于電子器件的高溫設(shè)計(jì)有如下方面 的結(jié)論 :1）器件的選擇使用方面在對(duì)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(jì)方面在對(duì)電路的設(shè)計(jì)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(jì)的綜合考慮方面通過(guò)減少熱阻及增加熱

3、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(lái)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(gè)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(jì)首先應(yīng)解決的是元器件的問(wèn)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 種熱敏材料。隨溫度的增加 ,其許多參數(shù)都

4、會(huì)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(jì)方法目前高溫電路的設(shè)計(jì)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(duì)普通環(huán)境所進(jìn)行的系統(tǒng)設(shè)計(jì),但在設(shè)計(jì)、制造時(shí)考慮了電子器件的高溫特性 ,采用熱設(shè)計(jì)、 調(diào)整器件功 率、選用耐高溫的器件。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)于短期內(nèi)的應(yīng)用切實(shí)可 行,但若要在高溫條件下長(zhǎng)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(guò)在一塊基體上同時(shí)運(yùn)用現(xiàn)成集成芯片和薄厚膜技術(shù)來(lái)完成電路的實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)技術(shù)

5、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(shí)該項(xiàng)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(yàn)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(duì)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(jì)方法比較 專用功能方法的功耗低、 體積小、壽命長(zhǎng)、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(jì)所需的費(fèi)用高 ,周期長(zhǎng) ,高溫設(shè)計(jì)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(jì)應(yīng)用時(shí)提

6、倡傳統(tǒng)電路方法 ,只有當(dāng)環(huán)境條件極為苛刻時(shí)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(jì)方法 我們?cè)谶x用高溫電子器件及優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)電路耐高溫性能增強(qiáng)的同時(shí) ,也要考慮該如何降低其系統(tǒng)功耗。于集成電路的設(shè)計(jì),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(huì)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(jì)方法是 設(shè)法使負(fù)載容抗降低。 在電路設(shè)計(jì)中要想使功耗降低 ,可從硬件及軟件設(shè)計(jì)方面采取一定的措施。3.1 硬件設(shè)計(jì)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(duì)

7、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(duì)電路進(jìn)行簡(jiǎn)化 ,盡量減少元器件的數(shù)量 ;4) 對(duì)于智能型儀器可采用 CPU 的計(jì)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(jì)方面1) 盡量用軟件取代硬件來(lái)達(dá)到降低功耗、降低成本、提高工作的可靠性、維護(hù)、升級(jí)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(lái)減少耗能。綜上所述 ,我們可以通過(guò)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(jì)措施等實(shí)現(xiàn)井下儀器高溫電路的設(shè)計(jì) 保證其正常無(wú)故障運(yùn)行。參考文獻(xiàn)1 池偉,李成.提高測(cè)井儀器耐高溫性能方法的研究 J.傳 感技術(shù)學(xué)報(bào) ,2007(8).2姜國(guó) .井下儀器高溫電路設(shè)計(jì)方法研究J. 石油儀器 ,2005(3).3超高溫高壓(HPHT)測(cè)井J.國(guó)