隨鉆測(cè)井技術(shù)中耐高溫電路系統(tǒng)的研究

1、    隨鉆測(cè)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(cè)井過(guò)程中由于高溫環(huán)境給電子元件制造以及電路設(shè)計(jì)帶來(lái)的新的挑戰(zhàn)，本文以實(shí)際工作中應(yīng)用到的電路為例，針對(duì)高溫環(huán)境（175）下電路性能的影響因素進(jìn)行了綜合分析，分別闡述了在電路設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)與基本要求;同時(shí)，針對(duì)井下隨鉆測(cè)控的工況環(huán)境，進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)、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(duì)井下高溫環(huán)境這一特殊的應(yīng)用場(chǎng)景，在電路的設(shè)計(jì)方面不可單獨(dú)依照器件文檔給定參數(shù)進(jìn)行，應(yīng)結(jié)合井下環(huán)境綜合考慮并以最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。關(guān)鍵詞：高溫;隨鉆測(cè)量;熱損傷;可靠性;電路工藝隨著

2、石油工業(yè)的不斷發(fā)展和持續(xù)多年來(lái)的開采，目前容易開采的資源越來(lái)越少，更多的油氣田要在更大的深度下進(jìn)行，通常更深的位置其溫度更高。目前，針對(duì)井下高溫環(huán)境下的電子設(shè)備應(yīng)用國(guó)內(nèi)外都進(jìn)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(jì)考量等幾個(gè)方面對(duì)高溫環(huán)境下的電路進(jìn)行了分析。近年來(lái)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(guó)內(nèi)外均有高溫環(huán)境下的測(cè)井儀器產(chǎn)品，然而針對(duì)高溫隨鉆測(cè)井這一應(yīng)用背景下的高溫電路的相關(guān)設(shè)計(jì)方法和工藝研究卻很少報(bào)道。在高溫（175）環(huán)境中，電子系統(tǒng)電路板的板

3、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(xiàng)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(gè)方面因素進(jìn)行電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)額定值，進(jìn)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(shí)，需要根據(jù)電路負(fù)載特性和信號(hào)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

4、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(jì)時(shí)不但要考慮其額定參數(shù)，還需要結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)合和溫度響應(yīng)曲線進(jìn)行各種補(bǔ)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(jì)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(shí)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(dòng)，極易發(fā)生故障，這點(diǎn)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(jì)多種保護(hù)電路，比如防浪涌的軟啟動(dòng)，防過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱、過(guò)流、短路、缺相等保護(hù)電路2。此外，隨著印制電路板

5、上原件組裝密度和集成度越來(lái)越高，功率消耗越來(lái)越大，必須在電路設(shè)計(jì)時(shí)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(yuǎn)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(huì)增加結(jié)溫，一旦超過(guò)元器件的額定值，會(huì)極大降低器件的生命周期。因此，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)還需要留出足夠的安全區(qū)。一般設(shè)計(jì)時(shí)不是按照曲線1進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且降額至75%來(lái)進(jìn)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(diǎn)，一般需要考慮以下幾種情況：不同廠家生產(chǎn)的同功能器件，由于各自工藝不同，設(shè)計(jì)時(shí)降額系數(shù)不同;接口阻抗特性不同（阻性、感性、容性），降額系數(shù)不同;散熱性能、功率特性以及布局不

6、同，降額系數(shù)不同;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(gè)電路系統(tǒng)都可以等價(jià)為二元的單元模塊，每個(gè)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(shí)候經(jīng)常出現(xiàn)：原理圖正確，連接設(shè)計(jì)也沒有問(wèn)題，但實(shí)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(shí)，還會(huì)對(duì)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?yàn)槠湓聿煌?，在電氣性能指?biāo)上各有優(yōu)缺點(diǎn)3：正激：瞬態(tài)響應(yīng)快、負(fù)載能力強(qiáng)，但是觸發(fā)電動(dòng)勢(shì)電壓較高;反激：（下轉(zhuǎn)第68頁(yè)）（上接第66頁(yè)）成本低、電路簡(jiǎn)單，但是輸出紋波、漏感大;推挽：瞬態(tài)響應(yīng)

7、快、轉(zhuǎn)換效率高，但是磁芯電流大、對(duì)開關(guān)管耐壓要求高;橋式：輸出功率大、轉(zhuǎn)換效率高，但是開關(guān)管損耗大、對(duì)直流內(nèi)阻要求高。當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，作用在元器件上的非線性負(fù)載反作用應(yīng)力會(huì)成幾何級(jí)數(shù)放大。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，我們經(jīng)常為了避免后級(jí)電路受到電源波動(dòng)的影響，會(huì)增加感性器件作為簡(jiǎn)單保護(hù)。如果不增加該感性器件，在電源波動(dòng)時(shí)可能對(duì)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(dòng)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(dòng)作的瞬間會(huì)將線路上的電壓拉低，從而影響后級(jí)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(dòng)開關(guān)的瞬間，由于感性器件電流不能瞬變，可以

8、保證后級(jí)控制電路相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)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(dòng)和沖擊工況。由于高溫焊料一般不含鉛，焊料融化時(shí)流動(dòng)性較差，在與焊盤融合時(shí)容易產(chǎn)生空洞、氣隙或氧化層，這些隱患在高溫和振動(dòng)的復(fù)合應(yīng)力作用下，極易產(chǎn)生故障;而且焊點(diǎn)較含鉛的硬，這對(duì)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(shí)，難以控制焊接時(shí)間和錫料，從而帶來(lái)更多隱患。為了減少振動(dòng)對(duì)線路板的影響，特別是元器件的影響，制板電路一般會(huì)經(jīng)過(guò)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(duì)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(dòng)緩沖和外層支撐保護(hù)。5 結(jié)論本文給出了高溫電路設(shè)計(jì)的相關(guān)工藝設(shè)計(jì)。為了提高高溫振動(dòng)環(huán)境下儀器的工作穩(wěn)定性和可靠性，除了電路設(shè)計(jì)和制作時(shí)的注意事項(xiàng)外，還需要綜合考慮電路尺寸、信號(hào)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(xiàn)：1曹才開.開關(guān)電源保護(hù)電路的研究j.電力系統(tǒng)保護(hù)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(jì)d.西安：西安電子科技大學(xué)，2010.3胡科堂