井下儀器高溫電路設(shè)計方法探析

任平江

第七一五研究所，湖北 宜昌 443000

在石油勘探時，深井探測器會需要高溫電路，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。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、苛刻的條件下能正常工作，需要對井下儀器高溫電路進行周密、獨特的設(shè)計。

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，器件在進行工作時自身的溫度由于受功耗的影響要比環(huán)境溫度高。在對井下儀器電路設(shè)計時，要嚴格保證各器件在工作運行時的溫度不超過其最高限制溫度。關(guān)于電子器件的高溫設(shè)計有如下方面的結(jié)論：

1）器件的選擇使用方面

在對器件的選擇使用上，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)計方面

在對電路的設(shè)計方面，要盡量減少其功耗，達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)計的綜合考慮方面

通過減少熱阻及增加熱導(dǎo)，使電子器件的最高允許溫度及低功耗要求得以降低來達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)計首先應(yīng)解決的是元器件的問題。現(xiàn)在集成電路元器件選用的制造材料其半導(dǎo)體通常是一種熱敏材料。隨溫度的增加，其許多參數(shù)都會發(fā)生改變，輸出阻抗降低、功率損耗增加、噪聲增強，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)計方法

目前高溫電路的設(shè)計方法主要有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)方法是針對普通環(huán)境所進行的系統(tǒng)設(shè)計，但在設(shè)計、制造時考慮了電子器件的高溫特性，采用熱設(shè)計、調(diào)整器件功率、選用耐高溫的器件。該項技術(shù)對于短期內(nèi)的應(yīng)用切實可行，但若要在高溫條件下長期應(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，是通過在一塊基體上同時運用現(xiàn)成集成芯片和薄厚膜技術(shù)來完成電路的實現(xiàn)。該項技術(shù)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。但同時該項技術(shù)的實施要比傳統(tǒng)技術(shù)的實施昂貴得多。

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)實驗及研究結(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)計方法比較

專用功能方法的功耗低、 體積小、壽命長、適用的溫度高且工作可靠性高；其唯一的缺點是開發(fā)設(shè)計所需的費用高，周期長，高溫設(shè)計更是如此。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)計應(yīng)用時提倡傳統(tǒng)電路方法，只有當(dāng)環(huán)境條件極為苛刻時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)計方法

我們在選用高溫電子器件及優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)電路耐高溫性能增強的同時，也要考慮該如何降低其系統(tǒng)功耗。對于集成電路的設(shè)計，降低其供電電壓是實現(xiàn)功耗降低的最直接、有效的方法，但在實際操作中，電壓的降低會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施降頻，進行有選擇性的降頻措施。而最有意義的降低功耗的設(shè)計方法是設(shè)法使負載容抗降低。在電路設(shè)計中要想使功耗降低，可從硬件及軟件設(shè)計方面采取一定的措施。

3.1 硬件設(shè)計方面

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）對電路進行簡化，盡量減少元器件的數(shù)量；

4）對于智能型儀器可采用CPU的計算、處理功能取代硬件電路，使硬件得到軟件化。

3.2 軟件設(shè)計方面

1）盡量用軟件取代硬件來達到降低功耗、降低成本、提高工作的可靠性、維護、升級等；

2）運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）運用軟件手段與具體應(yīng)用結(jié)合來減少耗能。

綜上所述，我們可以通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)、選用耐高溫電子器件、采取低功耗設(shè)計措施等實現(xiàn)井下儀器高溫電路的設(shè)計，保證其正常無故障運行。

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