井下儀器高溫電路設計方法探析

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。在這樣的環境下，怎樣保證井下儀器的電子系統在如此高溫、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、獨特的設計。

1 電路受溫度系數的影響

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境溫度高。在對井下儀器電路設計時，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。關于電子器件的高溫設計有如下方面的結論：

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）電路的設計方面

在對電路的設計方面，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）器件選擇及電路設計的綜合考慮方面

通過減少熱阻及增加熱導，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境的熱阻。第一種熱阻由多種因素決定，例如，半導體芯片的粘結材料、芯片的尺寸、壓焊絲的材料、直徑器件引線框的材料及結構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，更主要和組裝件的組裝密度、結構材料、元器件與基板間距離、功率分布以及散熱的措施有關。

1.2 半導體元器件方面

井下儀器高溫電路的設計首先應解決的是元器件的問題。現在集成電路元器件選用的制造材料其半導體通常是一種熱敏材料。隨溫度的增加，其許多參數都會發生改變，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 高溫電路的幾種設計方法

目前高溫電路的設計方法主要有3種：傳統方法、混合電路方法及專用功能方法。

1）傳統方法

傳統方法是針對普通環境所進行的系統設計，但在設計、制造時考慮了電子器件的高溫特性，采用熱設計、調整器件功率、選用耐高溫的器件。該項技術對于短期內的應用切實可行，但若要在高溫條件下長期應用，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技術與專用功能技術間的技術方案，是通過在一塊基體上同時運用現成集成芯片和薄厚膜技術來完成電路的實現。該項技術較傳統技術，其功耗低且散熱條件較好。因此，在高溫環境下其各方面的工作效果都比傳統電路要好。但同時該項技術的實施要比傳統技術的實施昂貴得多。

3）專用功能電路方法

專用功能方法是專門為應用集成電路定制的一種技術方法，經實驗及研究結果證明其在高溫電路的應用上效果最佳。它對于高溫環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。

4）3種高溫電路設計方法比較

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設計所需的費用高，周期長，高溫設計更是如此。而傳統電路方法恰好與其相反，混合電路則介于這二者之間。因此，在一般的環境設計應用時提倡傳統電路方法，只有當環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 低功耗設計方法

我們在選用高溫電子器件及優化電路結構來實現電路耐高溫性能增強的同時，也要考慮該如何降低其系統功耗。對于集成電路的設計，降低其供電電壓是實現功耗降低的最直接、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計方法是設法使負載容抗降低。在電路設計中要想使功耗降低，可從硬件及軟件設計方面采取一定的措施。

3.1 硬件設計方面

1）器件的選擇上，要盡量選用具有高溫節能的集成芯片，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，提高電源的轉化效率；

3）對電路進行簡化，盡量減少元器件的數量；

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用結合來減少耗能。

綜上所述，我們可以通過優化電路結構、選用耐高溫電子器件、采取低功耗設計措施等實現井下儀器高溫電路的設計，保證其正常無故障運行。

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