井下仪器高温电路设计方法探析

任平江

第七一五研究所，湖北 宜昌 443000

在石油勘探时，深井探测器会需要高温电路，在几百米甚至上千米深的深井中，温度极高、压力巨大，且伴随有剧烈震动。在这样的环境下，怎样保证井下仪器的电子系统在如此高温、苛刻的条件下能正常工作，需要对井下仪器高温电路进行周密、独特的设计。

1 电路受温度系数的影响

1.1 高温电子器件方面

任何电子元器件都有其最高限制温度，器件在进行工作时自身的温度由于受功耗的影响要比环境温度高。在对井下仪器电路设计时，要严格保证各器件在工作运行时的温度不超过其最高限制温度。关于电子器件的高温设计有如下方面的结论：

1）器件的选择使用方面

在对器件的选择使用上，以最大允许温度为参考，尽量选择最大允许温度高的器件。

2）电路的设计方面

在对电路的设计方面，要尽量减少其功耗，达到使器件散热性要求降低，提高其工作可靠性的目的。

3）器件选择及电路设计的综合考虑方面

通过减少热阻及增加热导，使电子器件的最高允许温度及低功耗要求得以降低来达到提高电子器件的高温特性。器件的热阻由两部分构成：一是芯片到其外壳的热阻；另一个是从器件外壳到其周围环境的热阻。第一种热阻由多种因素决定，例如，半导体芯片的粘结材料、芯片的尺寸、压焊丝的材料、直径器件引线框的材料及结构以及器件外壳材料及其表面积大小等。后一种热阻不但与器件有关，更主要和组装件的组装密度、结构材料、元器件与基板间距离、功率分布以及散热的措施有关。

1.2 半导体元器件方面

井下仪器高温电路的设计首先应解决的是元器件的问题。现在集成电路元器件选用的制造材料其半导体通常是一种热敏材料。随温度的增加，其许多参数都会发生改变，输出阻抗降低、功率损耗增加、噪声增强，最终使得半导体的电子元器件的性能变坏，特性显著恶化。

2 高温电路的几种设计方法

目前高温电路的设计方法主要有3种：传统方法、混合电路方法及专用功能方法。

1）传统方法

传统方法是针对普通环境所进行的系统设计，但在设计、制造时考虑了电子器件的高温特性，采用热设计、调整器件功率、选用耐高温的器件。该项技术对于短期内的应用切实可行，但若要在高温条件下长期应用，其可靠度并不能得到保证。

2）混合电路方法

混合电路方法是一种介于传统技术与专用功能技术间的技术方案，是通过在一块基体上同时运用现成集成芯片和薄厚膜技术来完成电路的实现。该项技术较传统技术，其功耗低且散热条件较好。因此，在高温环境下其各方面的工作效果都比传统电路要好。但同时该项技术的实施要比传统技术的实施昂贵得多。

3）专用功能电路方法

专用功能方法是专门为应用集成电路定制的一种技术方法，经实验及研究结果证明其在高温电路的应用上效果最佳。它对于高温环境下电子器件的特性，如迁移率、漏流及阈值电压等都有很好的表现。

4）3种高温电路设计方法比较

专用功能方法的功耗低、 体积小、寿命长、适用的温度高且工作可靠性高；其唯一的缺点是开发设计所需的费用高，周期长，高温设计更是如此。而传统电路方法恰好与其相反，混合电路则介于这二者之间。因此，在一般的环境设计应用时提倡传统电路方法，只有当环境条件极为苛刻时再采用混合电路方法，甚至是专用功能电路方法。

3 低功耗设计方法

我们在选用高温电子器件及优化电路结构来实现电路耐高温性能增强的同时，也要考虑该如何降低其系统功耗。对于集成电路的设计，降低其供电电压是实现功耗降低的最直接、有效的方法，但在实际操作中，电压的降低会增加门电路的输出延迟。降低系统功耗的另外一种思路是实施降频，进行有选择性的降频措施。而最有意义的降低功耗的设计方法是设法使负载容抗降低。在电路设计中要想使功耗降低，可从硬件及软件设计方面采取一定的措施。

3.1 硬件设计方面

1）器件的选择上，要尽量选用具有高温节能的集成芯片，此类芯片对高温工作有很好的保障，且功耗较小；

2）在确保电路性能前提下，可采取降低电源工作电压的措施，提高电源的转化效率；

3）对电路进行简化，尽量减少元器件的数量；

4）对于智能型仪器可采用CPU的计算、处理功能取代硬件电路，使硬件得到软件化。

3.2 软件设计方面

1）尽量用软件取代硬件来达到降低功耗、降低成本、提高工作的可靠性、维护、升级等；

2）运用微处理器自身的电源管理功能；

3）利用中断等减少耗电；

4）运用软件手段与具体应用结合来减少耗能。

综上所述，我们可以通过优化电路结构、选用耐高温电子器件、采取低功耗设计措施等实现井下仪器高温电路的设计，保证其正常无故障运行。

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