硬件設(shè)計(jì) | 電阻篇
[導(dǎo)讀]注|文末留言有福利01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。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...
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。
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)只要注意以下三點(diǎn)：
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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。
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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。
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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。
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的阻值，通常用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：
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)。02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：
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固定電阻
- 可變電阻
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。02碳合成電阻
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。03碳膜電阻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。04金屬膜電阻與碳膜電阻結(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好精度高，可以做E192系列，然后溫度特性也好，噪聲低，更加穩(wěn)定。05金屬氧化物膜電阻與金屬膜電阻結(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。2.1.2 片狀電阻
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。02厚膜電阻
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。03薄膜電阻
薄膜電阻就是在氧化鋁陶瓷基底上，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。2.2 可變電阻
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??????????????????????電位器/分壓器??????????????????????
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變阻器
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微調(diào)器
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。02壓敏電阻
壓敏電阻，通常都是金屬氧化物可變電阻，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。03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
02零歐姆電阻零歐姆電阻也叫跳線電阻，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。
03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。藭r(shí)可以使用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。04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。05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
3.2.2 熱敏電阻
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。01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。02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。03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，通常考慮降額到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。04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。05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
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。01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)，上圖中的器件可以在有效值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。
02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。03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。# 留言區(qū)福利 #
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