電源設(shè)計(jì)中被忽視的小電阻

時(shí)間：2019-05-08 16:52:06

關(guān)鍵字：電源設(shè)計(jì)

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[導(dǎo)讀]也許你曾經(jīng)試過，產(chǎn)品在客戶使用一段時(shí)間后，電路卻無緣無故失效，電路有可能看起來完好無損，也可能燒毀了一大片。

內(nèi)容整理自《電子技術(shù)設(shè)計(jì)》2018年5月刊、ZLG立功科技一致遠(yuǎn)電子

也許你曾經(jīng)試過，產(chǎn)品在客戶使用一段時(shí)間后，電路卻無緣無故失效，電路有可能看起來完好無損，也可能燒毀了一大片。在你絞盡腦汁都找不到問題的時(shí)候，不妨先將目光放到那些小小的貼片電阻上面。

兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)和降額曲線

先來看看某廠家五種常用封裝電阻的參數(shù)表。其中表中有兩個(gè)值：額定工作電壓和最大工作電壓。

表1

額定工作電壓是與功率掛鉤的，計(jì)算公式是：

V = √R*P

而最大工作電壓是在額定功率下，該電阻可以承受的最大電壓。但是要注意！看下面這個(gè)圖?？梢钥闯鲱~定功率是在最高環(huán)境溫度70℃的條件下標(biāo)注的（不同廠家，系列可能有微小區(qū)別，在設(shè)計(jì)之初和問題查找的時(shí)候應(yīng)該核實(shí)清楚。）

電阻溫度降額曲線

注意事項(xiàng)：

1、設(shè)計(jì)和使用貼片電阻時(shí)，當(dāng)最大功率超過其額定功率，其可靠性會(huì)降低。一般按額定功率的70%降額設(shè)計(jì)使用。當(dāng)環(huán)境溫度超過70℃時(shí)，必須進(jìn)一步降額。

2、工作電壓一般按最高額定電壓的75%降額設(shè)計(jì)使用。瞬態(tài)電壓不能超過最大工作電壓，否則有擊穿的危險(xiǎn)。

3、對(duì)于電阻值小于1Ω電阻，電阻的關(guān)鍵參數(shù)為額定電流和最大工作電流，而不是額定電壓與最大工作電壓。使用此類電阻時(shí)，電阻流過電流大，建議直接使用電流有效值計(jì)算電阻的實(shí)際工作功耗。

電阻在過功率的情況下，一般會(huì)出現(xiàn)兩種情況：

1、瞬時(shí)過功率：電阻外觀基本沒有變化，但是電阻已經(jīng)開路。

2、長(zhǎng)時(shí)間過功率：電阻溫度極高，其阻值發(fā)生變化，如果在惡劣的條件下，就會(huì)燒毀開路。

瞬間過功率損壞，外觀基本沒變化，其實(shí)已經(jīng)開路

長(zhǎng)時(shí)間過功率，電阻高溫直接碳化燒毀

PCB布板也有講究

貼片電阻的另外一種常見的損壞是機(jī)械損傷后呈開路狀態(tài)，后續(xù)導(dǎo)致電路異常（器件外觀有可能正常）。下面是幾個(gè)小建議：

1、如果是手折板的話（極少使用，無法機(jī)器分板，毛刺大），貼片電阻長(zhǎng)度方向平行于PCB板邊，零件受的應(yīng)力小；如果是V-CUT的話，貼片器件長(zhǎng)度方向垂直于PCB邊，零件破裂可能性較小。

2、元件如果與連接處垂直，到連接處的距離建議要≥4mm，若平行，距離建議要≥1.5mm。

3、在成本允許的情況下，適當(dāng)加厚PCB板厚度，特別是面積比較大的板子。（下面是兩個(gè)簡(jiǎn)單的示意圖，實(shí)際情況請(qǐng)實(shí)際分析。）

手折板簡(jiǎn)單示意圖

V-CUT板簡(jiǎn)單示意圖

合理減少種類

下圖是兩顆電極氧化了的貼片電阻（電極表面有點(diǎn)黑），別看它們現(xiàn)在好好的，一旦電路進(jìn)入了惡劣的工作狀態(tài)（高溫高濕），電阻就會(huì)因?yàn)樘摵付闺娐饭ぷ髟诓豢深A(yù)測(cè)的狀態(tài)，繼而損壞。

氧化的電阻

除了要保證采購的電阻在保質(zhì)期內(nèi)和倉庫提供合適的保存環(huán)境（具體參照實(shí)際產(chǎn)品手冊(cè)）以外，我們工程師作為使用者，也盡可能減少使用特殊阻值的電阻，以減少這種風(fēng)險(xiǎn)。

盡管貼片電阻以性能穩(wěn)定著稱，但是如果我們能在每次使用之初，都不厭其煩的回憶一些細(xì)節(jié)，就可以盡可能減少小概率事故的發(fā)生，大大提高產(chǎn)品穩(wěn)定性。

另外，高性能電阻器在電源設(shè)計(jì)中也有很多用途：

市場(chǎng)上有各種各樣的供電電源，這些電源設(shè)計(jì)中采用的多種電阻器更是大大拓展了選擇范圍。為明確起見，本文所涉及的電源是指具有高達(dá)幾千伏固定直流輸出的電源設(shè)備。

無論何種應(yīng)用，電源設(shè)計(jì)人員都必須了解所適用領(lǐng)域的具體安全或環(huán)境規(guī)定，以及實(shí)際的電氣性能。本文將重點(diǎn)介紹如何使用電阻來調(diào)節(jié)電源輸出并保護(hù)電源不出故障。

電源的分類通常取決于輸入是交流還是直流，以及使用何種類型的調(diào)節(jié)方式來提供正確的直流輸出，通常是開關(guān)模式或線性模式。

工頻線電壓通常為AC-DC電源供電，而電池或任何其它直流電源則提供DC-DC供電。這些DC-DC轉(zhuǎn)換器使用開關(guān)模式技術(shù)將輸入電壓調(diào)節(jié)為更高（升壓）或更低（降壓）的輸出電壓。

現(xiàn)成的電源適于許多市場(chǎng)和常規(guī)用途，但在某些情況下需要定制設(shè)計(jì)。

線性穩(wěn)壓器

要了解組件在電源中的作用，有必要了解電源工作的基本原理。許多工程師都記得設(shè)計(jì)一個(gè)如圖1所示的電路。該電路使用齊納二極管為負(fù)載（R2）提供恒定電壓。R1用于提供最小電流以保持齊納二極管處于恒定擊穿狀態(tài)，并提供負(fù)載電流。

一個(gè)簡(jiǎn)單的齊納二極管穩(wěn)壓器電路

此類系統(tǒng)適用于功率較低且供電電壓和負(fù)載都相當(dāng)穩(wěn)定的電路。如果負(fù)載電流降低或電源電壓突然增加，則可能會(huì)超出齊納二極管的額定功耗。這種電路中的電阻很容易選擇，只要其額定功率符合齊納二極管和負(fù)載的組合功率要求即可。

對(duì)于供電電壓或負(fù)載可能變化的電源，串聯(lián)設(shè)計(jì)可以使用傳輸晶體管（pass transistor），這將確保負(fù)載電流穩(wěn)定，并可將電壓輸出降低到所期望的范圍。

圖2示出了這種電路。這些設(shè)計(jì)通常使用IC或低壓差（LDO）穩(wěn)壓器來調(diào)節(jié)負(fù)載電源。由R1和R2形成的分壓器感測(cè)并設(shè)置相對(duì)于參考電壓的電壓輸出。如果電路具有固定輸出，則分壓器位于內(nèi)部；對(duì)于其它應(yīng)用，可以在外部放置一兩個(gè)電阻。

選擇電阻值以提供所需的比率，最重要的考慮因素是精度。如果比較器電路具有高增益和高輸入阻抗，則可以使用圖1中的公式輕松計(jì)算最差情況下的數(shù)值，首先選R1最大值和R2最小值，然后選R2最大值和R1最小值。這些計(jì)算可顯示出與期望輸出的最大電壓偏差。

開關(guān)電源

由于串聯(lián)的傳輸器件和負(fù)載都會(huì)消耗能量，線性電源可能效率比較低。隨著負(fù)載上壓降的增加，效率會(huì)更低。

線性串聯(lián)穩(wěn)壓器簡(jiǎn)圖

為提高效率，設(shè)計(jì)師經(jīng)常使用另一種電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。開關(guān)電源（SMPS）采用未經(jīng)調(diào)節(jié)的輸入直流電壓，并以高頻率（10kHz至1MHz）進(jìn)行切換。占空比決定整流和平滑后的直流輸出電壓。

SMPS輸出的調(diào)節(jié)也使用分壓器，但是要調(diào)節(jié)開關(guān)頻率和占空比。通過避免線性穩(wěn)壓器壓降帶來的損失，SMPS可實(shí)現(xiàn)高達(dá)95％的效率。由于高頻變壓器和濾波器/儲(chǔ)能電容器尺寸要小得多，SMPS也可能比類似功率的線性AC-DC電源設(shè)計(jì)更緊湊。

SMPS的主要缺點(diǎn)是它要求必須有最小負(fù)載，空載狀態(tài)可能會(huì)損壞電源。為避免這種情況，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常使用一個(gè)功率電阻作為假負(fù)載。如果主負(fù)載斷開，該電阻器可以用于吸收最小的特定負(fù)載電流。當(dāng)然，假負(fù)載電阻也會(huì)有功耗，從而影響整體電源效率，因此在選定電阻時(shí)需要考慮這個(gè)因素。規(guī)避該問題的另一種方法是當(dāng)負(fù)載開路時(shí)在輸出端使用分流電阻。出于安全目的，SMPS設(shè)計(jì)也會(huì)采用其它電阻器。低阻值、高功率電阻器通?？煞乐惯^壓情況。而限流設(shè)計(jì)則可防止短路。

此類開關(guān)技術(shù)也可以用于DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，將直流電壓的一個(gè)值調(diào)節(jié)為另一個(gè)值。降壓轉(zhuǎn)換器在工作原理上非常類似于前述的SMPS設(shè)計(jì)。升壓轉(zhuǎn)換器則使用電荷泵技術(shù)輸出比輸入端更高的電壓。這兩種技術(shù)都使用類似方法來調(diào)節(jié)輸出電壓并提供電路保護(hù)。

電阻器在電源設(shè)計(jì)中的其它用途

放電電阻器主要用于對(duì)電路中的電容器進(jìn)行放電。它們與負(fù)載并聯(lián)，在AC-DC和DC-DC轉(zhuǎn)換器中分別用于對(duì)平滑電容器和儲(chǔ)能電容器進(jìn)行放電。電源關(guān)閉后，電容器保持充電狀態(tài)，有可能對(duì)用戶造成傷害，因此需要放電。當(dāng)為這項(xiàng)任務(wù)選擇電阻時(shí)，需要權(quán)衡兩點(diǎn)：它們應(yīng)具有足夠高的阻值，以便當(dāng)電路工作時(shí)耗電很少；為給電容器快速放電，其阻值又要足夠低。

浪涌限制電阻器可以限制AC-DC電源在初次接通并且儲(chǔ)能電容器充電時(shí)可能引起的浪涌電流量。這些電阻通常阻值很低，并且與交流電源線串聯(lián)。對(duì)于更高功率的電源，通常使用負(fù)溫度系數(shù)（NTC）電阻器來達(dá)到這一目的。這些電阻的阻值隨自身發(fā)熱而下降。使用此類電阻器的一個(gè)缺點(diǎn)是在工作期間溫度必須保持恒定以確保維持為低阻值。第三種方案是使用脈阻（pulse-resistant）電阻器，這些電阻器的功率通常以焦耳為單位。它能比采用瓦為單位的正常持續(xù)功率標(biāo)度更好地表述其功能。

平衡電阻器用于在使用多個(gè)電源時(shí)調(diào)制負(fù)載電流。通常，與使用單個(gè)高功率大電源相比，并聯(lián)設(shè)置使用多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器可以更便宜、更節(jié)能、更緊湊。在設(shè)計(jì)此類電路時(shí)，不能簡(jiǎn)單地將輸出連接在一起，必須采用一個(gè)方法來確保平均分擔(dān)負(fù)載。圖3顯示RSHARE電阻填平了轉(zhuǎn)換器輸出之間的余差。

平衡電阻在DC-DC轉(zhuǎn)換器之間分擔(dān)負(fù)載

這種負(fù)載分擔(dān)方法也用于其它類型的電源設(shè)計(jì)，特別是那些使用功率晶體管的設(shè)計(jì)。并聯(lián)多個(gè)晶體管為負(fù)載供電，負(fù)載分配電阻在串聯(lián)中使用。

另一種需要平衡的場(chǎng)合如圖4所示。在這種情況下，儲(chǔ)能電容器與直流電源輸出串聯(lián)。電解電容器的漏電流起的作用類似于跟電容器并聯(lián)的電阻，如圖中的RL1和RL2。這些阻值可能會(huì)有相當(dāng)大的變化，并且由于它們?cè)谡麄€(gè)輸出端起分壓器的作用，可能會(huì)導(dǎo)致電容器兩端的壓差超過電容器額定值。匹配的電阻器RB1和RB2抵消了這種效應(yīng)。

平衡電阻器確保輸出電容器兩端的電壓相等

高壓分壓器用于向調(diào)節(jié)電路提供反饋。這些電阻器通常還有其它次要作用，例如監(jiān)測(cè)除顫器中的高壓電源，以及為儲(chǔ)能電容器充電并在期望的充電電平下關(guān)斷電源。

高電流檢測(cè)用于測(cè)量供電電流。這種測(cè)量方法采用分流電流表原理，需要串聯(lián)一個(gè)低值電阻，并測(cè)量其上的壓降以計(jì)算電流大小。此類電路設(shè)計(jì)必須綜合考慮電阻的選擇，一方面要求低阻值以最大限度地減少發(fā)熱和功耗，另一方面又要求高阻抗以便于測(cè)量。