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文章詳情
全類型電阻（二）
日期：2024-10-19 08:12
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摘要：三.電阻的應(yīng)用與選型
電阻的廠商主要有國(guó)巨、松下、羅姆、威世、還有國(guó)內(nèi)的風(fēng)華高科等等。
3.1 電阻的應(yīng)用
基本上沒(méi)有電路板會(huì)不用電阻，任何電路板上使用*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(jiǎn)單講述一下。
熱效應(yīng)
根據(jù)焦耳定律，電流流過(guò)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(kāi)不...
三.電阻的應(yīng)用與選型
電阻的廠商主要有國(guó)巨、松下、羅姆、威世、還有國(guó)內(nèi)的風(fēng)華高科等等。
3.1 電阻的應(yīng)用
基本上沒(méi)有電路板會(huì)不用電阻，任何電路板上使用*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(jiǎn)單講述一下。
熱效應(yīng)
根據(jù)焦耳定律，電流流過(guò)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(kāi)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(lái)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(wèn)題。為了復(fù)現(xiàn)一個(gè)高溫問(wèn)題，需要跑到環(huán)境實(shí)驗(yàn)室搭測(cè)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(jiǎn)單不過(guò)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(méi)有問(wèn)題，再換一個(gè)，問(wèn)題復(fù)現(xiàn)，問(wèn)題聚焦到某個(gè)芯片上，在自己的工位上就完成高溫問(wèn)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(cè)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)，*常遇到的問(wèn)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(guò)50mΩ，額定電流不超過(guò)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 ４藭r(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。*常用*簡(jiǎn)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(lái)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(jiǎn)單的說(shuō)，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(jiàn)類型的電阻的主要參數(shù)的對(duì)比如下圖所示，出貨量*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(guò)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(guò)UL1439認(rèn)證。
?
上圖是PTC的阻抗溫度特性，當(dāng)過(guò)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(guò)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(guò)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*大電壓，超過(guò)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(guò)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*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(guò)PTC額定電壓。
額定電流
即在額定電壓下，PTC能承受的*大短路電流，短路電流超過(guò)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(guò)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*高持續(xù)工作電壓。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，MOV可以分為交流和直流兩種，兩種場(chǎng)合用的器件規(guī)格是不一樣。用于直流場(chǎng)合的MOV通常不能用于交流場(chǎng)合。
MOV的額定工作電壓，交流場(chǎng)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(guò)這個(gè)電壓，MOV可能動(dòng)作或者損壞，導(dǎo)致電路無(wú)法工作。
主要用于防護(hù)瞬態(tài)高壓，持續(xù)的過(guò)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(guò)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(guò)被防護(hù)器件的*高耐壓，超過(guò)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。
*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(guò)大，MOV過(guò)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(cè)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。
電阻的廠商主要有國(guó)巨、松下、羅姆、威世、還有國(guó)內(nèi)的風(fēng)華高科等等。
3.1 電阻的應(yīng)用
基本上沒(méi)有電路板會(huì)不用電阻，任何電路板上使用*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(jiǎn)單講述一下。
熱效應(yīng)
根據(jù)焦耳定律，電流流過(guò)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(kāi)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(lái)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(wèn)題。為了復(fù)現(xiàn)一個(gè)高溫問(wèn)題，需要跑到環(huán)境實(shí)驗(yàn)室搭測(cè)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(jiǎn)單不過(guò)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(méi)有問(wèn)題，再換一個(gè)，問(wèn)題復(fù)現(xiàn)，問(wèn)題聚焦到某個(gè)芯片上，在自己的工位上就完成高溫問(wèn)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(cè)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)，*常遇到的問(wèn)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(guò)50mΩ，額定電流不超過(guò)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 ４藭r(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。*常用*簡(jiǎn)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(lái)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(jiǎn)單的說(shuō)，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(jiàn)類型的電阻的主要參數(shù)的對(duì)比如下圖所示，出貨量*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(guò)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(guò)UL1439認(rèn)證。
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上圖是PTC的阻抗溫度特性，當(dāng)過(guò)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(guò)流。
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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(guò)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*大電壓，超過(guò)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(guò)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*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(guò)PTC額定電壓。
額定電流
即在額定電壓下，PTC能承受的*大短路電流，短路電流超過(guò)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(guò)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。
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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*高持續(xù)工作電壓。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，MOV可以分為交流和直流兩種，兩種場(chǎng)合用的器件規(guī)格是不一樣。用于直流場(chǎng)合的MOV通常不能用于交流場(chǎng)合。
MOV的額定工作電壓，交流場(chǎng)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(guò)這個(gè)電壓，MOV可能動(dòng)作或者損壞，導(dǎo)致電路無(wú)法工作。
主要用于防護(hù)瞬態(tài)高壓，持續(xù)的過(guò)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(guò)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(guò)被防護(hù)器件的*高耐壓，超過(guò)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。
*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(guò)大，MOV過(guò)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(cè)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。
