基于MOS管測井儀器開關電路設計

(中國石油集團大慶鉆探工程公司測井公司 黑龍江 大慶 163412)

·開發設計·

基于MOS管測井儀器開關電路設計

吳丹

(中國石油集團大慶鉆探工程公司測井公司 黑龍江 大慶 163412)

為了解決機械式繼電器在測井儀頻繁使用過程中，產生的觸點燒蝕故障率高、功耗和發熱量大等問題，設計了一種新型井下開關電路。該井下開關電路是利用MOS管輸入回路的電場效應可控制輸出回路電流的特點，具有可靠性高、開關速度快、成本低等優點。詳細論述了MOS管開關特性，MOS管開關電路的設計原理及室內實驗情況。

開關電路；MOS管；繼電器

0 引 言

根據測井項目需要，井下儀器電路大多設計有雙向通訊功能。地面設備下發命令，由井下單片機接收命令并控制電路的運行和關斷。這種命令控制的實現需要開關電路來實現，因此要求井下儀器開關電路設計具有可靠、穩定、耐用的特點。

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

1 MOS管開關特性簡述

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

2 MOS管開關設計

本文采用雙MOS管四通道級聯傳遞式連接，柵源導通電壓只采用單一+5 V控制，不增加測井儀原有電路復雜性即可實現開關功能。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。在實際應用中也可采用其他型號場效應管替換。

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NMOS管0

圖2 FDS4559封裝圖

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

當PMOS管Vgs

本文設計MOS管開關電路如圖3所示。CTL輸入端為井下單片機輸出儀器開機啟動控制信號，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CTL=0 V時，即儀器控制信號處于關閉狀態時：

圖3 MOS管開關電路原理圖

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

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

當CTL=+5 V時，即儀器控制信號處于開啟狀態時：

1)M1的N溝道打開，S1與D1處于閉合狀態，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，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，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，M2的out-15 V輸出端等于-15 V，此時傳感器處于開啟狀態。

圖中電阻為限流電阻，當MOS管導通時，瞬時電流非常大，極易損壞MOS管，因此串接一個適當的電阻來限制瞬時電流值。穩壓二極管用于保護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管開關電路實驗

將實驗板搭好的MOS管開關電路連接至帶電機測井短接，該電機接正負電，進行有負載下的正反轉開關實驗。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，并檢測電機電流是否正常，如表2。該開關轉換速度為微秒級[5]，與繼電器開關速度無明顯差異，實驗中沒有對帶電機測井短接產生影響。

表1 M1P溝道負載電壓電流 單位V/mA

表2 M2N溝道負載電壓電流 位V/mA

4 結 論

經實驗表明該基于MOS管開關電路在輸出功率、開關速度、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、更換方便等優點。該方法可使裝有精密傳感器的井下儀器在復雜環境中工作時提供可靠的開關性能。

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

[2] 亢寶位.場效應晶體管理論基礎[M].北京: 科學出版社, 1985:194-196.

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

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

[5] 韓新峰，顧衛民.集成電路中MOS管導通電阻測量方法[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年畢業于大慶石油學院測試計量技術及儀器專業，現主要從事測井儀器的研發工作。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)