隨鉆測井技術中耐高溫電路系統的研究

殷鑫 魯超

摘 要：為了深入了解測井過程中由于高溫環境給電子元件制造以及電路設計帶來的新的挑戰，本文以實際工作中應用到的電路為例，針對高溫環境（≥175℃）下電路性能的影響因素進行了綜合分析，分別闡述了在電路設計時的注意事項與基本要求;同時，針對井下隨鉆測控的工況環境，進行了電路設計、電路焊接以及制作工藝等環節的相關研究。結果表明，針對井下高溫環境這一特殊的應用場景，在電路的設計方面不可單獨依照器件文檔給定參數進行，應結合井下環境綜合考慮并以最終實驗數據為準。

關鍵詞：高溫;隨鉆測量;熱損傷;可靠性;電路工藝

隨著石油工業的不斷發展和持續多年來的開采，目前容易開采的資源越來越少，更多的油氣田要在更大的深度下進行，通常更深的位置其溫度更高。目前，針對井下高溫環境下的電子設備應用國內外都進行了不同程度的研究，Jeff Watson和Gustavo Castro從器件應用、高溫元器件制作、高溫電路系統設計考量等幾個方面對高溫環境下的電路進行了分析。近年來更多的研究側重于耐高溫半導體材料和器件，包括基于硅基SOI器件[1]、GaN器件以及碳化硅器件的研究。目前國內外均有高溫環境下的測井儀器產品，然而針對高溫隨鉆測井這一應用背景下的高溫電路的相關設計方法和工藝研究卻很少報道。在高溫（≥175℃）環境中，電子系統電路板的板材、焊料以及元器件材料的物理特性都較室溫（25℃）有較大改變，導致元器件的各項電氣性能和電路的整體性能發生變化。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方面因素進行電路系統設計的方法，從而提高了井下隨鉆儀器的整體穩定性和可靠性。

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力（Electric Stress）以及負載功率和環境溫度三重作用下，導致部分元器件的結溫超過額定值，進而形成熱損傷，表現為電壓型損傷和電流型損傷。在元器件選型時，需要根據電路負載特性和信號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表示負溫度系數、PTC表示正溫度系數、CTR表示臨界溫度系數。在電路設計時不但要考慮其額定參數，還需要結合應用場合和溫度響應曲線進行各種補償，以確保性能穩定。

2 電路的額定功率與負載特性

電路設計中常見的故障是電路的負載特性和安全余量考慮不充分，使得電路大多時間工作在安全區的邊緣，一旦外部環境有所改變或波動，極易發生故障，這點在電源和功率器件上表現尤為明顯，從而大幅降低了電路的穩定性和可靠性。以開關電源為例，在電氣技術指標滿足正常使用要求的條件下，為使電源在惡劣環境及突發故障情況下安全可靠地工作，必須設計多種保護電路，比如防浪涌的軟啟動，防過壓、欠壓、過熱、過流、短路、缺相等保護電路[2]。

此外，隨著印制電路板上原件組裝密度和集成度越來越高，功率消耗越來越大，必須在電路設計時注意熱管理。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。額外的功耗會增加結溫，一旦超過元器件的額定值，會極大降低器件的生命周期。

因此，實際設計時還需要留出足夠的安全區。一般設計時不是按照曲線1進行設計，而且降額至75%來進行處理，以期改善電路的可靠性。

根據電路中不同應用環境和功率、負載等特點，一般需要考慮以下幾種情況：①不同廠家生產的同功能器件，由于各自工藝不同，設計時降額系數不同;②接口阻抗特性不同（阻性、感性、容性），降額系數不同;③散熱性能、功率特性以及布局不同，降額系數不同;④特殊要求的參數不可降額。

3 不同電路單元的響應特性差異

在電路的拓撲結構中，每一個電路系統都可以等價為二元的單元模塊，每個單元模塊接口的阻抗特性也各有差異，所以在電路調試的時候經常出現：原理圖正確，連接設計也沒有問題，但實際工作表現卻不盡如人意。如果電路的安全余量不足，當高溫負載特性降低時，還會對儀器可靠性造成影響。

以開關電源系統為例，有正激、反激、推挽、半橋、全橋等多種拓撲結構，每種結構因為其原理不同，在電氣性能指標上各有優缺點[3]：①正激：瞬態響應快、負載能力強，但是觸發電動勢電壓較高;②反激：（下轉第68頁）（上接第66頁）成本低、電路簡單，但是輸出紋波、漏感大;③推挽：瞬態響應快、轉換效率高，但是磁芯電流大、對開關管耐壓要求高;④橋式：輸出功率大、轉換效率高，但是開關管損耗大、對直流內阻要求高。

當負載波動時，作用在元器件上的非線性負載反作用應力會成幾何級數放大。在電路設計時，我們經常為了避免后級電路受到電源波動的影響，會增加感性器件作為簡單保護。如果不增加該感性器件，在電源波動時可能對控制電路產生較大干擾，也可能影響其穩定性，也可能不影響。但是中斷續開關類的驅動電路連接在感性器件后端，這類電路的接口如果是容性的，在開關動作的瞬間會將線路上的電壓拉低，從而影響后級控制電路的工作穩定性;需要將其放置在感性器件前端，當斷續開關類驅動開關的瞬間，由于感性器件電流不能瞬變，可以保證后級控制電路相對穩定的運行。

4 電路焊接及封膠工藝

井下隨鉆儀器不但要面臨環境溫度，還需要適應其井下復雜的振動和沖擊工況。由于高溫焊料一般不含鉛，焊料融化時流動性較差，在與焊盤融合時容易產生空洞、氣隙或氧化層，這些隱患在高溫和振動的復合應力作用下，極易產生故障;而且焊點較含鉛的硬，這對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，難以控制焊接時間和錫料，從而帶來更多隱患。

為了減少振動對線路板的影響，特別是元器件的影響，制板電路一般會經過多層封膠處理，并且確保高溫環境下留足膠體膨脹空間，使得膠體不對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、內層振動緩沖和外層支撐保護。

5 結論

本文給出了高溫電路設計的相關工藝設計。為了提高高溫振動環境下儀器的工作穩定性和可靠性，除了電路設計和制作時的注意事項外，還需要綜合考慮電路尺寸、信號走線、元器件布局、電磁兼容、散熱、接地處理、接口連接等等與結構相關聯的部分，以及需要考慮不同批次的芯片在性能指標方面的差異。

參考文獻：

[1]曹才開.開關電源保護電路的研究[J].電力系統保護與控制，2007（s1）：36-39.

[2]黃云生.電子電路PCB的散熱分析與設計[D].西安：西安電子科技大學，2010.

[3]胡科堂.高電壓大功率開關電源拓撲電路的設計與研究[D].北京：北京工業大學，2013.

[4]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2001.

基金項目：國家科技重大專項“低滲透油氣深層高溫高壓隨鉆測控技術”（項目編號：2016ZX05021-001）