基于MOS管测井仪器开关电路设计
2017-12-06
(中国石油集团大庆钻探工程公司测井公司 黑龙江 大庆 163412)
·开发设计·
基于MOS管测井仪器开关电路设计
吴丹
(中国石油集团大庆钻探工程公司测井公司 黑龙江 大庆 163412)
为了解决机械式继电器在测井仪频繁使用过程中，产生的触点烧蚀故障率高、功耗和发热量大等问题，设计了一种新型井下开关电路。该井下开关电路是利用MOS管输入回路的电场效应可控制输出回路电流的特点，具有可靠性高、开关速度快、成本低等优点。详细论述了MOS管开关特性，MOS管开关电路的设计原理及室内实验情况。
开关电路；MOS管；继电器
0 引 言
根据测井项目需要，井下仪器电路大多设计有双向通讯功能。地面设备下发命令，由井下单片机接收命令并控制电路的运行和关断。这种命令控制的实现需要开关电路来实现，因此要求井下仪器开关电路设计具有可靠、稳定、耐用的特点。
一般测井仪开关电路是使用机械式继电器作为开关，其优点是使用简单、灵活，但普通继电器触点烧蚀故障率高[1]，导通后的功耗和发热量大。在地面可控测井仪使用中，由于开关次数频繁，使用强度大，容易造成仪器在工作过程中因机械式继电器故障导致测井中断的情况，甚至损坏传感器等，并且继电器的更换极为不便。为此，笔者设计了一种基于MOS管的开关电路，它具有高可靠性、高耐用性、开关速度快等优点。
1 MOS管开关特性简述
MOS场效应管[2]是一种利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的半导体器件。MOS管分为P沟道增强型、P沟道耗尽型、N沟道增强型和N沟道耗尽型4种类型。它本身具有开关特性，在给源极S和漏极D之间加上正确极性和大小的电压(因为管型而异)后，再给栅极G和源极S之间加上控制电压，就会有相应大小的电流从源极S流向漏极D。但继电器与MOS管不能进行简单的替换，这是MOS管本身特性所决定，栅-源电压UGS(ON)即导通电压[3]一般在±10 V～±20 V左右，而且导通电压越大，导通速度越快，压降越低[4]。而测井仪是由井下单片机控制，I/O口输出控制电压仅为+5 V，既无法直接驱动P沟道MOS管，而N沟道MOS管，压降也可达50%左右。
2 MOS管开关设计
本文采用双MOS管四通道级联传递式连接，栅源导通电压只采用单一+5 V控制，不增加测井仪原有电路复杂性即可实现开关功能。本文所使用MOS管芯片为FDS4559，该芯片集成有N沟道和P沟道两类，封装类型SO-8，如图2。在实际应用中也可采用其他型号场效应管替换。
图1 P型MOS管电路图符号
FDS4559芯片的G1、S1、D1分别为N沟道MOS管的栅极、源级和漏极，G2、S2、D2分别为P沟道的栅极、源级和漏极。
当NMOS管0 图2 FDS4559封装图 当Vgs不断增大直到Vgs>UGS(ON)时，通态电阻可降为毫姆级，此时MOS管处于完全导通状态。 当PMOS管Vgs 本文设计MOS管开关电路如图3所示。CTL输入端为井下单片机输出仪器开机启动控制信号，in ±15 V输入端为测井仪井下电源提供的直流电，out ±15 V输出端为向仪器传感器提供的直流电源。 当CTL=0 V时，即仪器控制信号处于关闭状态时： 图3 MOS管开关电路原理图 1)M1的N沟道关闭，S1与D1处于断路状态，此时VG2=VD1=+15 V，M1的P沟道也关闭，S2与D2也处于断路状态，M1的out+15 V输出端等于0。VS2=VS1=+15 V。 2)M2的P沟道因VS1>0关闭，S2与D2处于断路状态，此时VG1=VD2=-15 V，M2的N沟道也关闭，S1与D1也处于断路状态，M2的out-15 V输出端等于0。由于±15 V输出均为0，此时传感器处于关闭状态。 当CTL=+5 V时，即仪器控制信号处于开启状态时： 1)M1的N沟道打开，S1与D1处于闭合状态，由于S1端接地，此时VG2=VD1=0 V，M1的P沟道也打开，S2与D2也处于闭合状态，M1的out+15 V输出端等于+15 V。VS2=+15 V，VS1=0。 2)M2的P沟道因VS1=0打开，S2与D2处于闭合状态，此时VD2=VS2=+15 V，VG1=VD2=+15 V，M2的N沟道也打开，S1与D1也处于闭合状态，M2的out-15 V输出端等于-15 V，此时传感器处于开启状态。 图中电阻为限流电阻，当MOS管导通时，瞬时电流非常大，极易损坏MOS管，因此串接一个适当的电阻来限制瞬时电流值。稳压二极管用于保护M2，避免反向电流冲击并防止电流过大。电容起到去除电源干扰噪声作用。 将实验板搭好的MOS管开关电路连接至带电机测井短接，该电机接正负电，进行有负载下的正反转开关实验。测量NMOS管开通时的漏极电流Id，漏极电压Vds，栅源电压Vgs，并检测电机电流是否正常，如表1。测量PMOS管开通时的漏极电流Id，漏极电压Vds，栅源电压Vgs，并检测电机电流是否正常，如表2。该开关转换速度为微秒级[5]，与继电器开关速度无明显差异，实验中没有对带电机测井短接产生影响。 表1 M1P沟道负载电压电流 单位V/mA 表2 M2N沟道负载电压电流 位V/mA 经实验表明该基于MOS管开关电路在输出功率、开关速度、压降等方面完全符合测井仪的要求，同时它具有高可靠性、高耐用性、成本低、更换方便等优点。该方法可使装有精密传感器的井下仪器在复杂环境中工作时提供可靠的开关性能。 [1] 范莹莹,姜岩峰.基于MOS管的新型转换开关在集成电路测试中的应用[J].电子测试，2012，16(4):66-71. [2] 亢宝位.场效应晶体管理论基础[M].北京: 科学出版社, 1985:194-196. [3] 童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001:34-45. [4] 张明兴.导通电阻为零的模拟开关[J].电子技术,1986，23(12):38-39. [5] 韩新峰，顾卫民.集成电路中MOS管导通电阻测量方法[J].电子与封装,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 吴丹，女，1982年生，工程师，2008年毕业于大庆石油学院测试计量技术及仪器专业，现主要从事测井仪器的研发工作。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编辑马小芳)
3 MOS管开关电路实验
4 结 论
