基于MOS管測井儀器開關(guān)電路設(shè)計

(中國石油集團(tuán)大慶鉆探工程公司測井公司 黑龍江 大慶 163412)

·開發(fā)設(shè)計·

基于MOS管測井儀器開關(guān)電路設(shè)計

吳丹

(中國石油集團(tuán)大慶鉆探工程公司測井公司 黑龍江 大慶 163412)

為了解決機(jī)械式繼電器在測井儀頻繁使用過程中，產(chǎn)生的觸點(diǎn)燒蝕故障率高、功耗和發(fā)熱量大等問題，設(shè)計了一種新型井下開關(guān)電路。該井下開關(guān)電路是利用MOS管輸入回路的電場效應(yīng)可控制輸出回路電流的特點(diǎn)，具有可靠性高、開關(guān)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)論述了MOS管開關(guān)特性，MOS管開關(guān)電路的設(shè)計原理及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)情況。

開關(guān)電路；MOS管；繼電器

0 引 言

根據(jù)測井項(xiàng)目需要，井下儀器電路大多設(shè)計有雙向通訊功能。地面設(shè)備下發(fā)命令，由井下單片機(jī)接收命令并控制電路的運(yùn)行和關(guān)斷。這種命令控制的實(shí)現(xiàn)需要開關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)，因此要求井下儀器開關(guān)電路設(shè)計具有可靠、穩(wěn)定、耐用的特點(diǎn)。

一般測井儀開關(guān)電路是使用機(jī)械式繼電器作為開關(guān)，其優(yōu)點(diǎn)是使用簡單、靈活，但普通繼電器觸點(diǎn)燒蝕故障率高[1]，導(dǎo)通后的功耗和發(fā)熱量大。在地面可控測井儀使用中，由于開關(guān)次數(shù)頻繁，使用強(qiáng)度大，容易造成儀器在工作過程中因機(jī)械式繼電器故障導(dǎo)致測井中斷的情況，甚至損壞傳感器等，并且繼電器的更換極為不便。為此，筆者設(shè)計了一種基于MOS管的開關(guān)電路，它具有高可靠性、高耐用性、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

1 MOS管開關(guān)特性簡述

MOS場效應(yīng)管[2]是一種利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的半導(dǎo)體器件。MOS管分為P溝道增強(qiáng)型、P溝道耗盡型、N溝道增強(qiáng)型和N溝道耗盡型4種類型。它本身具有開關(guān)特性，在給源極S和漏極D之間加上正確極性和大小的電壓(因?yàn)楣苄投?后，再給柵極G和源極S之間加上控制電壓，就會有相應(yīng)大小的電流從源極S流向漏極D。但繼電器與MOS管不能進(jìn)行簡單的替換，這是MOS管本身特性所決定，柵-源電壓UGS(ON)即導(dǎo)通電壓[3]一般在±10 V～±20 V左右，而且導(dǎo)通電壓越大，導(dǎo)通速度越快，壓降越低[4]。而測井儀是由井下單片機(jī)控制，I/O口輸出控制電壓僅為+5 V，既無法直接驅(qū)動P溝道MOS管，而N溝道MOS管，壓降也可達(dá)50%左右。

2 MOS管開關(guān)設(shè)計

本文采用雙MOS管四通道級聯(lián)傳遞式連接，柵源導(dǎo)通電壓只采用單一+5 V控制，不增加測井儀原有電路復(fù)雜性即可實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。本文所使用MOS管芯片為FDS4559，該芯片集成有N溝道和P溝道兩類，封裝類型SO-8，如圖2。在實(shí)際應(yīng)用中也可采用其他型號場效應(yīng)管替換。

圖1 P型MOS管電路圖符號

FDS4559芯片的G1、S1、D1分別為N溝道MOS管的柵極、源級和漏極，G2、S2、D2分別為P溝道的柵極、源級和漏極。

當(dāng)NMOS管0

圖2 FDS4559封裝圖

當(dāng)Vgs不斷增大直到Vgs>UGS(ON)時，通態(tài)電阻可降為毫姆級，此時MOS管處于完全導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)PMOS管Vgs

本文設(shè)計MOS管開關(guān)電路如圖3所示。CTL輸入端為井下單片機(jī)輸出儀器開機(jī)啟動控制信號，in ±15 V輸入端為測井儀井下電源提供的直流電，out ±15 V輸出端為向儀器傳感器提供的直流電源。

當(dāng)CTL=0 V時，即儀器控制信號處于關(guān)閉狀態(tài)時：

圖3 MOS管開關(guān)電路原理圖

1)M1的N溝道關(guān)閉，S1與D1處于斷路狀態(tài)，此時VG2=VD1=+15 V，M1的P溝道也關(guān)閉，S2與D2也處于斷路狀態(tài)，M1的out+15 V輸出端等于0。VS2=VS1=+15 V。

2)M2的P溝道因VS1>0關(guān)閉，S2與D2處于斷路狀態(tài)，此時VG1=VD2=-15 V，M2的N溝道也關(guān)閉，S1與D1也處于斷路狀態(tài)，M2的out-15 V輸出端等于0。由于±15 V輸出均為0，此時傳感器處于關(guān)閉狀態(tài)。

當(dāng)CTL=+5 V時，即儀器控制信號處于開啟狀態(tài)時：

1)M1的N溝道打開，S1與D1處于閉合狀態(tài)，由于S1端接地，此時VG2=VD1=0 V，M1的P溝道也打開，S2與D2也處于閉合狀態(tài)，M1的out+15 V輸出端等于+15 V。VS2=+15 V，VS1=0。

2)M2的P溝道因VS1=0打開，S2與D2處于閉合狀態(tài)，此時VD2=VS2=+15 V，VG1=VD2=+15 V，M2的N溝道也打開，S1與D1也處于閉合狀態(tài)，M2的out-15 V輸出端等于-15 V，此時傳感器處于開啟狀態(tài)。

圖中電阻為限流電阻，當(dāng)MOS管導(dǎo)通時，瞬時電流非常大，極易損壞MOS管，因此串接一個適當(dāng)?shù)碾娮鑱硐拗扑矔r電流值。穩(wěn)壓二極管用于保護(hù)M2，避免反向電流沖擊并防止電流過大。電容起到去除電源干擾噪聲作用。

3 MOS管開關(guān)電路實(shí)驗(yàn)

將實(shí)驗(yàn)板搭好的MOS管開關(guān)電路連接至帶電機(jī)測井短接，該電機(jī)接正負(fù)電，進(jìn)行有負(fù)載下的正反轉(zhuǎn)開關(guān)實(shí)驗(yàn)。測量NMOS管開通時的漏極電流Id，漏極電壓Vds，柵源電壓Vgs，并檢測電機(jī)電流是否正常，如表1。測量PMOS管開通時的漏極電流Id，漏極電壓Vds，柵源電壓Vgs，并檢測電機(jī)電流是否正常，如表2。該開關(guān)轉(zhuǎn)換速度為微秒級[5]，與繼電器開關(guān)速度無明顯差異，實(shí)驗(yàn)中沒有對帶電機(jī)測井短接產(chǎn)生影響。

表1 M1P溝道負(fù)載電壓電流 單位V/mA

表2 M2N溝道負(fù)載電壓電流 位V/mA

4 結(jié) 論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明該基于MOS管開關(guān)電路在輸出功率、開關(guān)速度、壓降等方面完全符合測井儀的要求，同時它具有高可靠性、高耐用性、成本低、更換方便等優(yōu)點(diǎn)。該方法可使裝有精密傳感器的井下儀器在復(fù)雜環(huán)境中工作時提供可靠的開關(guān)性能。

[1] 范瑩瑩,姜巖峰.基于MOS管的新型轉(zhuǎn)換開關(guān)在集成電路測試中的應(yīng)用[J].電子測試，2012，16(4):66-71.

[2] 亢寶位.場效應(yīng)晶體管理論基礎(chǔ)[M].北京: 科學(xué)出版社, 1985:194-196.

[3] 童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2001:34-45.

[4] 張明興.導(dǎo)通電阻為零的模擬開關(guān)[J].電子技術(shù),1986，23(12):38-39.

[5] 韓新峰，顧衛(wèi)民.集成電路中MOS管導(dǎo)通電阻測量方法[J].電子與封裝,2016，34(11):34-37.

DesignofSwitchCircuitinLoggingToolBasedonMOSPipe

WUDan

(WellLoggingCompany，DaqingOilfieldDrillingEngineeringCompany,Daqing，Heilongjiang163412，China)

A new downhole switching circuit has been developed to address the proble ms of high failure rate of contact ablation, high power assumption and high heat emission caused by frequent use of mechanical relay. Applying the field effect of the MOS input circuit to control the current of the output circuit, the new switching circuit has gained advantages of high reliability, rapid switching speed and low cost. This paper has detailed the switching characteristics, design principles and laboratory experiments of the MOS pipe.

switching circuit; MOS pipe; relay

吳丹，女，1982年生，工程師，2008年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院測試計量技術(shù)及儀器專業(yè)，現(xiàn)主要從事測井儀器的研發(fā)工作。E-mail:18233580@qq.com

P631.4+3

A

2096-0077(2017)05-0012-02

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.004

2017-02-07編輯馬小芳)