随钻测井技术中耐高温电路系统的研究

殷鑫 鲁超

摘 要：为了深入了解测井过程中由于高温环境给电子元件制造以及电路设计带来的新的挑战，本文以实际工作中应用到的电路为例，针对高温环境（≥175℃）下电路性能的影响因素进行了综合分析，分别阐述了在电路设计时的注意事项与基本要求;同时，针对井下随钻测控的工况环境，进行了电路设计、电路焊接以及制作工艺等环节的相关研究。结果表明，针对井下高温环境这一特殊的应用场景，在电路的设计方面不可單独依照器件文档给定参数进行，应结合井下环境综合考虑并以最终实验数据为准。

关键词：高温;随钻测量;热损伤;可靠性;电路工艺

随着石油工业的不断发展和持续多年来的开采，目前容易开采的资源越来越少，更多的油气田要在更大的深度下进行，通常更深的位置其温度更高。目前，针对井下高温环境下的电子设备应用国内外都进行了不同程度的研究，Jeff Watson和Gustavo Castro从器件应用、高温元器件制作、高温电路系统设计考量等几个方面对高温环境下的电路进行了分析。近年来更多的研究侧重于耐高温半导体材料和器件，包括基于硅基SOI器件[1]、GaN器件以及碳化硅器件的研究。目前国内外均有高温环境下的测井仪器产品，然而针对高温随钻测井这一应用背景下的高温电路的相关设计方法和工艺研究却很少报道。在高温（≥175℃）环境中，电子系统电路板的板材、焊料以及元器件材料的物理特性都较室温（25℃）有较大改变，导致元器件的各项电气性能和电路的整体性能发生变化。本文在此方面开展研究，采用综合考虑元器件、材料以及制作工艺等各个方面因素进行电路系统设计的方法，从而提高了井下随钻仪器的整体稳定性和可靠性。

1 元器件材料的物理性能差异

电路失效很大一部分原因是电路在电应力（Electric Stress）以及负载功率和环境温度三重作用下，导致部分元器件的结温超过额定值，进而形成热损伤，表现为电压型损伤和电流型损伤。在元器件选型时，需要根据电路负载特性和信号走向等等需要选择合适的元件材料。

图1为三种热敏电阻的电阻率与温度的变化曲线，其中NTC表示负温度系数、PTC表示正温度系数、CTR表示临界温度系数。在电路设计时不但要考虑其额定参数，还需要结合应用场合和温度响应曲线进行各种补偿，以确保性能稳定。

2 电路的额定功率与负载特性

电路设计中常见的故障是电路的负载特性和安全余量考虑不充分，使得电路大多时间工作在安全区的边缘，一旦外部环境有所改变或波动，极易发生故障，这点在电源和功率器件上表现尤为明显，从而大幅降低了电路的稳定性和可靠性。以开关电源为例，在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，防过压、欠压、过热、过流、短路、缺相等保护电路[2]。

此外，随着印制电路板上原件组装密度和集成度越来越高，功率消耗越来越大，必须在电路设计时注意热管理。除了功率较大器件做好散热处理、热敏器件尽量远离热源等等外，还需要注意即使使用耐高温元器件也同样需要考虑其自身功耗。额外的功耗会增加结温，一旦超过元器件的额定值，会极大降低器件的生命周期。

因此，实际设计时还需要留出足够的安全区。一般设计时不是按照曲线1进行设计，而且降额至75%来进行处理，以期改善电路的可靠性。

根据电路中不同应用环境和功率、负载等特点，一般需要考虑以下几种情况：①不同厂家生产的同功能器件，由于各自工艺不同，设计时降额系数不同;②接口阻抗特性不同（阻性、感性、容性），降额系数不同;③散热性能、功率特性以及布局不同，降额系数不同;④特殊要求的参数不可降额。

3 不同电路单元的响应特性差异

在电路的拓扑结构中，每一个电路系统都可以等价为二元的单元模块，每个单元模块接口的阻抗特性也各有差异，所以在电路调试的时候经常出现：原理图正确，连接设计也没有问题，但实际工作表现却不尽如人意。如果电路的安全余量不足，当高温负载特性降低时，还会对仪器可靠性造成影响。

以开关电源系统为例，有正激、反激、推挽、半桥、全桥等多种拓扑结构，每种结构因为其原理不同，在电气性能指标上各有优缺点[3]：①正激：瞬态响应快、负载能力强，但是触发电动势电压较高;②反激：（下转第68页）（上接第66页）成本低、电路简单，但是输出纹波、漏感大;③推挽：瞬态响应快、转换效率高，但是磁芯电流大、对开关管耐压要求高;④桥式：输出功率大、转换效率高，但是开关管损耗大、对直流内阻要求高。

当负载波动时，作用在元器件上的非线性负载反作用应力会成几何级数放大。在电路设计时，我们经常为了避免后级电路受到电源波动的影响，会增加感性器件作为简单保护。如果不增加该感性器件，在电源波动时可能对控制电路产生较大干扰，也可能影响其稳定性，也可能不影响。但是中断续开关类的驱动电路连接在感性器件后端，这类电路的接口如果是容性的，在开关动作的瞬间会将线路上的电压拉低，从而影响后级控制电路的工作稳定性;需要将其放置在感性器件前端，当断续开关类驱动开关的瞬间，由于感性器件电流不能瞬变，可以保证后级控制电路相对稳定的运行。

4 电路焊接及封胶工艺

井下随钻仪器不但要面临环境温度，还需要适应其井下复杂的振动和冲击工况。由于高温焊料一般不含铅，焊料融化时流动性较差，在与焊盘融合时容易产生空洞、气隙或氧化层，这些隐患在高温和振动的复合应力作用下，极易产生故障;而且焊点较含铅的硬，这对制板的封装以及元器件的摆放和板材都提出了更高的要求[4]。尤其是手焊时，难以控制焊接时间和锡料，从而带来更多隐患。

为了减少振动对线路板的影响，特别是元器件的影响，制板电路一般会经过多层封胶处理，并且确保高温环境下留足胶体膨胀空间，使得胶体不对元器件或焊盘施加作用力。封胶一般包括三层：底层三防漆喷涂和元器件固定、内层振动缓冲和外层支撑保护。

5 结论

本文给出了高温电路设计的相关工艺设计。为了提高高温振动环境下仪器的工作稳定性和可靠性，除了电路设计和制作时的注意事项外，还需要综合考虑电路尺寸、信号走线、元器件布局、电磁兼容、散热、接地处理、接口连接等等与结构相关联的部分，以及需要考虑不同批次的芯片在性能指标方面的差异。

参考文献：

[1]曹才开.开关电源保护电路的研究[J].电力系统保护与控制，2007（s1）：36-39.

[2]黄云生.电子电路PCB的散热分析与设计[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[3]胡科堂.高电压大功率开关电源拓扑电路的设计与研究[D].北京：北京工业大学，2013.

[4]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.

基金项目：国家科技重大专项“低渗透油气深层高温高压随钻测控技术”（项目编号：2016ZX05021-001）