【導(dǎo)讀】電阻,和電感、電容一起,是電子學(xué)三大基本無源器件;從能量的角度,電阻是一個(gè)耗能元件,將電能轉(zhuǎn)化為熱能。數(shù)年前,出現(xiàn)了第四種基本無源器件,叫憶阻器(Memristor),代表磁通量和電荷量之間的關(guān)系。XX文庫里也有很多資料,有興趣可以了解一下。
一、電阻的基本原理
電阻,和電感、電容一起,是電子學(xué)三大基本無源器件;從能量的角度,電阻是一個(gè)耗能元件,將電能轉(zhuǎn)化為熱能。
數(shù)年前,出現(xiàn)了第四種基本無源器件,叫憶阻器(Memristor),代表磁通量和電荷量之間的關(guān)系。XX文庫里也有很多資料,有興趣可以了解一下。
圖片出自維基百科Memristor
通常,都是根據(jù)歐姆定律來定義電阻,給電阻加一個(gè)恒定電壓,會(huì)產(chǎn)生多大電流;也可以,通過焦耳定律來定義,當(dāng)電阻流過一個(gè)電流,單位時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生多少熱量。
實(shí)際電阻的等效模型
同樣的,實(shí)際電阻都是非理想的,存在一定引線電感和極間電容,當(dāng)應(yīng)用場合頻率較高,這些因數(shù)不能忽略。
某薄膜電阻的頻率特性
上圖電阻的高頻特性非常好,可以看到極間電容只有0.03pF,引線電感只有0.002nH,其中75Ω的電阻可以到30GHz。我們通常使用的貼片電阻大都是厚膜電阻,性能遠(yuǎn)達(dá)不到如此,其引線電感有幾個(gè)nH,極間電容也有幾個(gè)pF,大多只能用到幾百M(fèi)Hz或幾個(gè)GHz。
標(biāo)準(zhǔn)阻值表
上圖出自Vishay文檔
通常電阻阻值都是標(biāo)準(zhǔn),上圖給出了不同精度(容差)的電阻的標(biāo)準(zhǔn)阻值,通常乘以10的倍數(shù)或除以10的倍數(shù),就可以得到所有阻值。
如何記住上述阻值表呢?其實(shí)也很簡單,注意以下三點(diǎn):
● 不同精度的電阻對(duì)應(yīng)著不同精度的系列。通常10%精度的是E12系列,2%和5%是E24系列,1%是E96系列,而0.1%、0.25%和0.5%是E192系列。
● 系列名中的數(shù)字代表著該系列有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)阻值,通常為6的倍數(shù)。例如,E12系列有12個(gè)不同的阻值,E192系列有192個(gè)不同的阻值。
● 每個(gè)系列的阻值都近似是一個(gè)等比數(shù)列,公比為10開多少次方,基數(shù)是10Ω。例如E12系列的公比是10開12次方,E96系列的公比都是10開96次方。
有興趣的可以按照上表數(shù)一數(shù),算一算是不是上述規(guī)律。另外,根據(jù)IEC的規(guī)定,2%精度對(duì)應(yīng)是E48系列有48個(gè)阻值,有興趣的可以算一下是哪些值。上表中,Vishay可能不生產(chǎn)該系列了。
阻值標(biāo)記(Marking)
通常我們使用最多的就是5%和1%的片狀電阻,一般0603以上的電阻封裝上都有標(biāo)記表示電阻值。
E24系列(5%)
對(duì)于大于10Ω,通常有3位數(shù)字表示阻值,前兩個(gè)表示阻值基數(shù),最后一位表示乘以10的幾次方。例如標(biāo)記100代表10Ω,而不是100Ω,472代表4.7kΩ。小于10Ω通常用R來表示小數(shù)點(diǎn),例如2R2,表示2.2Ω。
E96系列(1%)
通常由2位數(shù)字加一個(gè)字母表示,2位數(shù)字代表是E96系列的第幾個(gè)阻值,字母表示乘以10的幾次方,其中Y代表-1,X代表0,A代表1,B代表2,C代表3,以此類推。例如47C,從表中數(shù)到47個(gè)阻值,是30.1,C代表乘以10的3次方,就是30.1kΩ。
另外,對(duì)于軸向引線封裝的電阻,阻值標(biāo)記都是一圈一圈的色環(huán),具體含義如下圖所示:
阻值色環(huán)碼
從左往右,前兩個(gè)或三個(gè)環(huán)代表數(shù)字,接下來的環(huán)代表乘數(shù),與前面的數(shù)字相乘便是阻值。再接下來的環(huán)代表電阻的容差,最后就是電阻的溫度系數(shù)。
二、電阻的工藝與結(jié)構(gòu)
電阻的工藝種類繁多,可以根據(jù)阻值是否可以變化,分成兩大類介紹:
● 固定電阻
● 可變電阻
2.1 固定電阻
固定電阻,顧名思義就是電阻值是定值,不可變。大多數(shù)時(shí)候,我們使用的電阻都是固定值的??梢愿鶕?jù)封裝的不同大致再分類
2.1.1 軸向引線電阻(Axial Leaded Resistor)
軸線引線電阻通常都是圓柱形,兩個(gè)外電極是圓柱體兩端的軸向?qū)Ь€,根據(jù)材料和工藝的不同還可以再分為多種。
繞線電阻(Wire Wound Resistor)
繞線電阻是將鎳鉻合金導(dǎo)線繞在氧化鋁陶瓷基底上,一圈一圈控制電阻大小。繞線電阻可以制作為精密電阻,容差可以到0.005%,同時(shí)溫度系數(shù)非常低,缺點(diǎn)是繞線電阻的寄生電感比較大,不能用于高頻。繞線電阻的體積可以做的很大,然后加外部散熱器,可以用作大功率電阻。
碳合成電阻(Carbon Composition Resistor)
碳合成電阻主要是由碳粉末和粘合劑一起燒結(jié)成圓柱型的電阻體,其中碳粉末的濃度決定了電阻值的大小,在兩端加鍍錫銅引線,最后封裝成型。碳合成電阻工藝簡單,原材料也容易獲得,所以價(jià)格最便宜。但是碳合成電阻的性能不太好,容差比較大(也就是做不了精密電阻),溫度特性不好,通常噪聲比較大。碳合成電阻耐壓性能較好,由于內(nèi)部是可以看作是碳棒,基本不會(huì)被擊穿導(dǎo)致被燒毀。
碳膜電阻(Carbon Film Resistor)
碳膜電阻主要是在陶瓷棒上形成一層碳混合物膜,例如直接涂一層,碳膜的厚度和其中碳濃度可以控制電阻的大小;為了更加精確的控制電阻,可以在碳膜上加工出螺旋溝槽,螺旋越多電阻越大;最后加金屬引線,樹脂封裝成型。碳膜電阻的工藝更加復(fù)雜一點(diǎn),可以做精密電阻,但由于碳質(zhì)的原因,還是溫度特性不太好。
金屬膜電阻(Metal Film Resistor)
與碳膜電阻結(jié)構(gòu)類似,金屬膜電阻主要是利用真空沉積技術(shù)在陶瓷棒上形成一層鎳鉻合金鍍膜,然后在鍍膜上加工出螺旋溝槽來精確控制電阻。金屬膜電阻可以說是性能比較好的電阻,精度高,可以做E192系列,然后溫度特性好,噪聲低,更加穩(wěn)定。
Metal film resistor Â
金屬氧化物膜電阻(Metal Oxide Film Resistor)
上圖出自Metal oxide film resistor
與金屬膜電阻結(jié)構(gòu)類似,金屬氧化物膜主要是在陶瓷棒形成一層錫氧化物膜,為了增加電阻,可以在錫氧化物膜上加一層銻氧化物膜,然后在氧化物膜上加工出螺旋溝槽來精確控制電阻。金屬氧化物膜電阻最大的優(yōu)勢就是耐高溫。
上圖出自Metal oxide film resistor Â
2.1.2 片狀電阻
金屬箔電阻(Metal Foil Resistor)
金屬箔電阻是通過真空熔煉形成鎳鉻合金,然后通過滾碾的方式制作成金屬箔,再將金屬箔黏合在氧化鋁陶瓷基底上,再通過光刻工藝來控制金屬箔的形狀,從而控制電阻。金屬箔電阻是目前性能可以控制到最好的電阻。
厚膜電阻(Thick Film Resistor)
厚膜電阻采用的絲網(wǎng)印刷法,就是再陶瓷基底上貼一層鈀化銀電極,然后在電極之間印刷一層二氧化釕作為電阻體。厚膜電阻的電阻膜通常比較厚,大約100微米。具體工藝流程如下圖所示。
厚膜電阻是目前應(yīng)用最多的電阻,價(jià)格便宜,容差有5%和1%,絕大多數(shù)產(chǎn)品中使用的都是5%和1%的片狀厚膜電阻。
薄膜電阻(Thin Film Resistor)
薄膜電阻就是氧化鋁陶瓷基底上通過真空沉積形成鎳化鉻薄膜,通常只有0.1um厚,只有厚膜電阻的千分之一,然后通過光刻工藝將薄膜蝕刻成一定的形狀。Thin Film工藝在此前電容和電感的文章中已經(jīng)提到過多次了,光刻工藝十分精確,可以形成復(fù)雜的形狀,因此,薄膜電容的性能可以控制的很好。
上圖出自panasonic chip resistors
2.2 可變電阻
可變電阻就是電阻值可以變化,可以有兩種:一是可以手動(dòng)調(diào)整阻值的電阻;另一種就是電阻值可以根據(jù)其他物理?xiàng)l件而變化。
2.2.1 可調(diào)電阻
上中學(xué)的時(shí)候,應(yīng)該都使用過滑動(dòng)變阻器做實(shí)驗(yàn),動(dòng)一動(dòng)滑動(dòng)變阻器,小燈泡可以變亮或變暗?;瑒?dòng)變阻器就是可調(diào)電阻,原理都是一樣的。
可調(diào)電阻,通常分成了三種:
● Potentiometer
電位器或分壓計(jì),這是一種三端口器件。電位器被中間抽頭分成兩個(gè)電阻,通過中間抽頭可以改變兩個(gè)電阻的阻值,就可以改變分得的電壓。
● Rheostat
變阻器,其實(shí)就是電位器,唯一的區(qū)別就是變阻器只需要用到兩個(gè)端口,純粹一個(gè)可以精確調(diào)整阻值的電阻。
● Trimmer
微調(diào)器,其實(shí)也是電位器,只不過不需要經(jīng)常調(diào)整,例如設(shè)備出廠的時(shí)候調(diào)整一下即可,通常需要用螺絲刀等特殊工具才能調(diào)整。
2.2.2 敏感電阻
敏感電阻是一類敏感元件,這類電阻大都對(duì)某種物理?xiàng)l件特別敏感,該物理?xiàng)l件一變化,電阻值就會(huì)隨著變化,通??梢杂米鱾鞲衅鳎?例如光敏電阻、濕敏電阻、磁敏電阻等等。在電路設(shè)計(jì)應(yīng)用比較多的應(yīng)該是熱敏電阻和壓敏電阻,常用作保護(hù)器件。
熱敏電阻
上圖出自Murata Application Manual - PTC
PTC就是正溫度系數(shù)電阻,通常有兩種:一種是陶瓷材料,叫CPTC,適用于高電壓大電流場合;另一種是高分子聚合物材料,叫PPTC,適用于低電壓小電流場合。
陶瓷PTC,其電阻材料是一種多晶體陶瓷,是碳酸鋇、二氧化鈦等多種材料的混合物燒結(jié)而成。PTC溫度系數(shù)具有很強(qiáng)的非線性,當(dāng)溫度超過一定閾值時(shí)電阻會(huì)變得很大,相當(dāng)于斷路,從而可以起到短路和過流保護(hù)的作用。
同時(shí)還有負(fù)溫度系數(shù)電阻,即NTC就不詳細(xì)介紹了。
壓敏電阻
上圖出自Varistor and the Metal Oxide Varistor Tutorial
壓敏電阻通常都是金屬氧化物可變電阻,即Metal Oxide Varistor(MOV),其電阻材料是氧化鋅顆粒和陶瓷顆?;旌虾笠黄馃Y(jié)成型。MOV的特性就是當(dāng)電壓超過一定閾值的時(shí)候,電阻迅速下降,可以通過大電流,因此可以用于浪涌防護(hù)和過壓保護(hù)。
將氧化鋅陶瓷采用和MLCC類似的工藝制作成多層型壓敏電阻,即 MLV。MLV封裝較小,通常是片狀的,額定電壓和通流能力都比MOV小很多,適用于低壓直流場合。
三、電阻的應(yīng)用與選型
電阻的廠商主要有國巨、松下、羅姆、威世、還有國內(nèi)的風(fēng)華高科等等。
3.1 電阻的應(yīng)用
基本上沒有電路板會(huì)不用電阻,任何電路板上使用最多的器件就是電容和電阻。各種上下拉電阻,反饋電阻等等。水平有限,簡單講述一下。
熱效應(yīng)
根據(jù)焦耳定律,電流流過電阻就會(huì)發(fā)熱。電阻的熱效應(yīng)的應(yīng)用也有很多,電熱毯、電火桶、電水壺。
對(duì)于一些室外應(yīng)用的電子設(shè)備,特別對(duì)于一些集成有高性能CPU的SOC,對(duì)工作溫度要求很苛刻,大都只能滿足商業(yè)級(jí)應(yīng)用,大冬天在東北,零下三十多度,溫度太低,很可能開不了機(jī)。通常都會(huì)加一個(gè)大功率電阻做預(yù)加熱功能,當(dāng)溫度上來后,設(shè)備啟動(dòng)了再關(guān)掉。之所有關(guān)掉,因?yàn)樵O(shè)備自己工作的功耗也會(huì)發(fā)熱,可以保持溫度。
作為硬件工程師,經(jīng)常要跑到環(huán)境實(shí)驗(yàn)室去定位問題。為了復(fù)現(xiàn)一個(gè)高溫問題,需要跑到環(huán)境實(shí)驗(yàn)室搭測試環(huán)境,關(guān)鍵溫箱就那么幾個(gè),還要預(yù)約,經(jīng)常要排隊(duì)太麻煩了。于是我就自己作了一個(gè)再簡單不過的定位神器,就是給水泥電阻焊一個(gè)DC電源座子,然后插各種電源適配器,調(diào)整溫度。然后往某某芯片上放個(gè)幾分鐘,沒有問題,再換一個(gè),問題復(fù)現(xiàn),問題聚焦到某個(gè)芯片上,在自己的工位上就完成高溫問題的定位。
零歐姆電阻
零歐姆電阻也叫跳線電阻(Jumper)。在電路設(shè)計(jì)中,為了調(diào)試方便或者作兼容設(shè)計(jì)經(jīng)常使用。例如在作預(yù)研設(shè)計(jì)時(shí),為了調(diào)試時(shí)能測試芯片的每組電源的工作電流,通常需要用零歐姆電阻將電源分成多路。
使用零歐姆電阻時(shí),最常遇到的問題就是功耗怎么算,如何判斷選擇的電阻是否滿足要求?
此時(shí),就需要從電阻的規(guī)格書中獲取相關(guān)參數(shù),從下圖可以看出RC0402的零歐姆電阻,其電阻值不會(huì)超過50mΩ,額定電流不超過1A,由此就可以判斷電阻是否滿足設(shè)計(jì)要求。通常0402的零歐姆電阻都可以滿足1A以下的電流要求。
原圖截自GENERAL PURPOSE CHIP RESISTORS - Yageo
限流
有些時(shí)候電路中需要一組幾十毫安的電源,但是其電壓在電路中其他地方都用不到,此時(shí)單獨(dú)弄一組DCDC或者LDO都不太合適,因?yàn)殡娏魈?。此時(shí)可以使用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。
分壓
分壓例如ADC采樣電路,DCDC輸出電壓反饋,電平轉(zhuǎn)換等等。
匹配電阻
對(duì)于高速信號(hào),PCB走線需要考慮傳輸線模型,要保證阻抗匹配,防止信號(hào)反射會(huì)影響信號(hào)完整性。阻抗匹配就是保證負(fù)載阻抗與傳輸線的特征阻抗相等以消除反射。最常用最簡單的就是源端串聯(lián)匹配,即在信號(hào)源端串聯(lián)一個(gè)電阻,該電阻和源內(nèi)阻之和等于傳輸線特征阻抗,這樣即使負(fù)載端不匹配,信號(hào)反射回來會(huì)被源端信號(hào),不會(huì)再次反射。
此外,還有各種非線性的靈敏電阻,可以用作傳感器、保護(hù)電路等等。
3.2 電阻的選型
選型簡單的說,就是根據(jù)器件的規(guī)格書,提取關(guān)鍵參數(shù),判斷是否滿足應(yīng)用的要求。
3.2.1 固定值電阻
常見類型的電阻的主要參數(shù)的對(duì)比如下圖所示,出貨量最大的應(yīng)該是厚膜電阻和金屬膜電阻。
3.2.2 熱敏電阻
PTC在電路中的主要作用和保險(xiǎn)絲類似,就是過流保護(hù),區(qū)別就是保險(xiǎn)絲是一次性的,而PTC是可恢復(fù)的,而很多時(shí)候換保險(xiǎn)絲是不可接受的,影響客戶體驗(yàn)。PTC也屬于安規(guī)器件,通常要求通過UL1439認(rèn)證。
上圖是PTC的阻抗溫度特性,當(dāng)過流的時(shí)候PTC發(fā)熱,溫度迅速上升,PTC的阻抗迅速變大,形成斷路,斷路后電流下降,發(fā)熱減少,溫度下降,PTC恢復(fù)低阻抗。因此,PTC非常適合短時(shí)過流。
保持電流
選用PTC的時(shí)候,首先要考慮設(shè)計(jì)工作電流,不能超過PTC保持電流,此時(shí)PTC可以保持低阻抗?fàn)顟B(tài)。PTC的保持電流會(huì)隨著工作溫度的升高而降低,因此,工作溫度時(shí)需要考慮的重要因素。
動(dòng)作電流
動(dòng)作電流,即PTC進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài),斷路保護(hù)的電流。
額定電壓
即PTC能承受的最大電壓,超過額定電壓,PTC可能會(huì)被擊穿短路,進(jìn)而引起燒毀。因此,設(shè)計(jì)時(shí)要考慮各種情況下PTC的工作電壓不能超過其額定電壓。
當(dāng)PTC斷路保護(hù)的時(shí)候,會(huì)承受整個(gè)電源電壓,PTC選型的時(shí)候,額定電壓要大于電源電壓。通??紤]降額到80%,即電源電壓12V,要選擇耐壓15V以上的PTC。
在電源輸入端口,需要考慮浪涌防護(hù),此時(shí)要考慮最大的浪涌電流,乘以PTC的電阻,即PTC承受的浪涌電壓,不能超過PTC額定電壓。
額定電流
即在額定電壓下,PTC能承受的最大短路電流,短路電流超過額定電流,PTC將會(huì)損壞。
直流電阻
PTC直流電阻的存在,會(huì)使PTC存在一定的直流壓降,設(shè)計(jì)時(shí)要注意壓降后的電源電壓要滿足要求。
和保險(xiǎn)絲相比,PTC的額定電壓和額定電流都小很多,而PTC的直流阻抗通常是保險(xiǎn)絲的兩部左右。PTC保護(hù)的時(shí)候,實(shí)際是高電阻狀態(tài),因此會(huì)有毫安級(jí)的漏電流,而保險(xiǎn)絲是熔斷機(jī)制,切斷電流通路,基本不存在漏電流。
3.2.3 壓敏電阻
壓敏電阻的特性與穩(wěn)壓二極管(Zener diode)、TVS類似,都屬于鉗位型器件,主要用于防護(hù)電路瞬態(tài)過壓,例如浪涌。
MOV的理想伏安特性
選擇防護(hù)器件,主要考慮兩個(gè)方面:一是防護(hù)器件在正常工作條件下不能動(dòng)作或者損壞,二是在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的異常情況下要能起到保護(hù)電路的作用,即防護(hù)能力。
額定工作電壓
額定工作電壓可以認(rèn)為是MOV能保持高阻抗?fàn)顟B(tài)的最高持續(xù)工作電壓。根據(jù)應(yīng)用場合,MOV可以分為交流和直流兩種,兩種場合用的器件規(guī)格是不一樣。用于直流場合的MOV通常不能用于交流場合。
MOV的額定工作電壓,交流場合考慮交流額定電壓,即Vrms或Vm(ac),上圖中的器件可以有效值130V的交流電中正常工作。超過這個(gè)電壓,MOV可能動(dòng)作或者損壞,導(dǎo)致電路無法工作。
主要用于防護(hù)瞬態(tài)高壓,持續(xù)的過高電壓會(huì)導(dǎo)致MOV損壞。
鉗位電壓
MOV是鉗位型器件,遇到瞬態(tài)高壓時(shí),阻抗會(huì)下降,通過大電流,瞬態(tài)高壓會(huì)被抑制,但不會(huì)降為零,而是依然保持相對(duì)高壓,通常是額定工作電壓的2到3倍。選擇MOV時(shí),要注意鉗位電壓不能超過被防護(hù)器件的最高耐壓,超過時(shí),需要采用多級(jí)防護(hù),例如后級(jí)加一個(gè)大功率電阻去耦,再加一顆TVS,利用TVS的低鉗位電壓進(jìn)一步減小殘壓。
最大脈沖電流
雷擊或者感性負(fù)載切換等等,會(huì)產(chǎn)生很大浪涌電流,MOV除了鉗位住高壓以外,還需要泄放浪涌電流。
MOV能否承受住浪涌電流,主要和一段時(shí)間內(nèi)MOV承受的能量大小有關(guān),能量過大,MOV過熱燒毀。能量的大小,和浪涌的波形和數(shù)目有關(guān),通常,器件的浪涌能力都按8/20us波形能測試。上圖中的MOV,單個(gè)3500A的8/20us的浪涌脈沖,連續(xù)2個(gè)3000A的8/20us的浪涌脈沖,連續(xù)20個(gè)750A的8/20us的浪涌脈沖。
此外,MOV的寄生電容比較大,不能用在較高速率的信號(hào)線上。MOV的響應(yīng)時(shí)間比TVS慢,對(duì)一些快速的脈沖,像ESD可能不起作用。這些也是我們需要考慮的因素。
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