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(wú)源器件；從能量的角度，電阻是一個(gè)耗能元件，將電能轉化為熱能。

 

數年前，出現了第四種基本無(wú)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，都是根據歐姆定律來(lái)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(guò)焦耳定律來(lái)定義，當電阻流過(guò)一個(gè)電流，單位時(shí)間內會(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(xiàn)電感和極間電容，當應用場(chǎng)合頻率較高，這些因數不能忽略。

 

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(xiàn)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，性能遠達不到如此，其引線(xiàn)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MHz或幾個(gè)GHz。

 

標準阻值表

 

上圖出自Vishay文檔

 

通常電阻阻值都是標準，上圖給出了不同精度(容差)的電阻的標準阻值，通常乘以10的倍數或除以10的倍數，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(jiǎn)單，注意以下三點(diǎn)：

 

● 不同精度的電阻對應著(zhù)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。

 

● 系列名中的數字代表著(zhù)該系列有幾個(gè)標準阻值，通常為6的倍數。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)等比數列，公比為10開(kāi)多少次方，基數是10Ω。例如E12系列的公比是10開(kāi)12次方，E96系列的公比都是10開(kāi)96次方。

 

有興趣的可以按照上表數一數，算一算是不是上述規律。另外，根據IEC的規定，2%精度對應是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記表示電阻值。

 

E24系列(5%)

 

對于大于10Ω，通常有3位數字表示阻值，前兩個(gè)表示阻值基數，最后一位表示乘以10的幾次方。例如標記100代表10Ω，而不是100Ω，472代表4.7kΩ。小于10Ω通常用R來(lái)表示小數點(diǎn)，例如2R2，表示2.2Ω。

 

E96系列(1%)

 

通常由2位數字加一個(gè)字母表示，2位數字代表是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(lèi)推。例如47C，從表中數到47個(gè)阻值，是30.1，C代表乘以10的3次方，就是30.1kΩ。

 

另外，對于軸向引線(xiàn)封裝的電阻，阻值標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)代表數字，接下來(lái)的環(huán)代表乘數，與前面的數字相乘便是阻值。再接下來(lái)的環(huán)代表電阻的容差，最后就是電阻的溫度系數。

 

二、電阻的工藝與結構

 

電阻的工藝種類(lèi)繁多，可以根據阻值是否可以變化，分成兩大類(lèi)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。大多數時(shí)候，我們使用的電阻都是固定值的?？梢愿鶕庋b的不同大致再分類(lèi)

 

2.1.1 軸向引線(xiàn)電阻(Axial Leaded Resistor)

 

軸線(xiàn)引線(xiàn)電阻通常都是圓柱形，兩個(gè)外電極是圓柱體兩端的軸向導線(xiàn)，根據材料和工藝的不同還可以再分為多種。

 

繞線(xiàn)電阻(Wire Wound Resistor)

 

 

繞線(xiàn)電阻是將鎳鉻合金導線(xiàn)繞在氧化鋁陶瓷基底上，一圈一圈控制電阻大小。繞線(xiàn)電阻可以制作為精密電阻，容差可以到0.005%，同時(shí)溫度系數非常低，缺點(diǎn)是繞線(xiàn)電阻的寄生電感比較大，不能用于高頻。繞線(xiàn)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(xiàn)，最后封裝成型。碳合成電阻工藝簡(jiǎn)單，原材料也容易獲得，所以?xún)r(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，由于內部是可以看作是碳棒，基本不會(huì )被擊穿導致被燒毀。

 

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??；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(xiàn)，樹(shù)脂封裝成型。碳膜電阻的工藝更加復雜一點(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)

 

 

與碳膜電阻結構類(lèi)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(lái)精確控制電阻。金屬膜電阻可以說(shuō)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

 

與金屬膜電阻結構類(lèi)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(lái)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(guò)真空熔煉形成鎳鉻合金，然后通過(guò)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(guò)光刻工藝來(lái)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。

 

 

厚膜電阻是目前應用最多的電阻，價(jià)格便宜，容差有5%和1%，絕大多數產(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(guò)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(guò)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(guò)多次了，光刻工藝十分精確，可以形成復雜的形狀，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)調整阻值的電阻；另一種就是電阻值可以根據其他物理條件而變化。

 

2.2.1 可調電阻

 

上中學(xué)的時(shí)候，應該都使用過(guò)滑動(dòng)變阻器做實(shí)驗，動(dòng)一動(dòng)滑動(dòng)變阻器，小燈泡可以變亮或變暗?；瑒?dòng)變阻器就是可調電阻，原理都是一樣的。

 

可調電阻，通常分成了三種：

 

● Potentiometer

 

電位器或分壓計，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(guò)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)可以精確調整阻值的電阻。

 

● Trimmer

 

微調器，其實(shí)也是電位器，只不過(guò)不需要經(jīng)常調整，例如設備出廠(chǎng)的時(shí)候調整一下即可，通常需要用螺絲刀等特殊工具才能調整。

 

2.2.2 敏感電阻

 

敏感電阻是一類(lèi)敏感元件，這類(lèi)電阻大都對某種物理條件特別敏感，該物理條件一變化，電阻值就會(huì )隨著(zhù)變化，通?？梢杂米鱾鞲衅?， 例如光敏電阻、濕敏電阻、磁敏電阻等等。在電路設計應用比較多的應該是熱敏電阻和壓敏電阻，常用作保護器件。

 

熱敏電阻

 

上圖出自Murata Application Manual - PTC

 

PTC就是正溫度系數電阻，通常有兩種：一種是陶瓷材料，叫CPTC，適用于高電壓大電流場(chǎng)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(chǎng)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而成。PTC溫度系數具有很強的非線(xiàn)性，當溫度超過(guò)一定閾值時(shí)電阻會(huì )變得很大，相當于斷路，從而可以起到短路和過(guò)流保護的作用。

 

同時(shí)還有負溫度系數電阻，即NTC就不詳細介紹了。

 

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成型。MOV的特性就是當電壓超過(guò)一定閾值的時(shí)候，電阻迅速下降，可以通過(guò)大電流，因此可以用于浪涌防護和過(guò)壓保護。

 

將氧化鋅陶瓷采用和MLCC類(lèi)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(chǎng)合。

 

三、電阻的應用與選型

 

電阻的廠(chǎng)商主要有國巨、松下、羅姆、威世、還有國內的風(fēng)華高科等等。

 

3.1 電阻的應用

 

基本上沒(méi)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(jiǎn)單講述一下。

 

熱效應

 

根據焦耳定律，電流流過(guò)電阻就會(huì )發(fā)熱。電阻的熱效應的應用也有很多，電熱毯、電火桶、電水壺。

 

對于一些室外應用的電子設備，特別對于一些集成有高性能CPU的SOC，對工作溫度要求很苛刻，大都只能滿(mǎn)足商業(yè)級應用，大冬天在東北，零下三十多度，溫度太低，很可能開(kāi)不了機。通常都會(huì )加一個(gè)大功率電阻做預加熱功能，當溫度上來(lái)后，設備啟動(dòng)了再關(guān)掉。之所有關(guān)掉，因為設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)驗室去定位問(wèn)題。為了復現一個(gè)高溫問(wèn)題，需要跑到環(huán)境實(shí)驗室搭測試環(huán)境，關(guān)鍵溫箱就那么幾個(gè)，還要預約，經(jīng)常要排隊太麻煩了。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)題復現，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(xiàn)電阻(Jumper)。在電路設計中，為了調試方便或者作兼容設計經(jīng)常使用。例如在作預研設計時(shí)，為了調試時(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(wèn)題就是功耗怎么算，如何判斷選擇的電阻是否滿(mǎn)足要求？

 

此時(shí)，就需要從電阻的規格書(shū)中獲取相關(guān)參數，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(mǎn)足設計要求。通常0402的零歐姆電阻都可以滿(mǎn)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)單獨弄一組DCDC或者LDO都不太合適，因為電流太小。此時(shí)可以使用穩壓管穩壓電路。

 

分壓

 

分壓例如ADC采樣電路，DCDC輸出電壓反饋，電平轉換等等。

 

匹配電阻

 

對于高速信號，PCB走線(xiàn)需要考慮傳輸線(xiàn)模型，要保證阻抗匹配，防止信號反射會(huì )影響信號完整性。阻抗匹配就是保證負載阻抗與傳輸線(xiàn)的特征阻抗相等以消除反射。最常用最簡(jiǎn)單的就是源端串聯(lián)匹配，即在信號源端串聯(lián)一個(gè)電阻，該電阻和源內阻之和等于傳輸線(xiàn)特征阻抗，這樣即使負載端不匹配，信號反射回來(lái)會(huì )被源端信號，不會(huì )再次反射。

 

此外，還有各種非線(xiàn)性的靈敏電阻，可以用作傳感器、保護電路等等。

 

3.2 電阻的選型

 

選型簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是根據器件的規格書(shū)，提取關(guān)鍵參數，判斷是否滿(mǎn)足應用的要求。

 

3.2.1 固定值電阻

 

常見(jiàn)類(lèi)型的電阻的主要參數的對比如下圖所示，出貨量最大的應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絲類(lèi)似，就是過(guò)流保護，區別就是保險絲是一次性的，而PTC是可恢復的，而很多時(shí)候換保險絲是不可接受的，影響客戶(hù)體驗。PTC也屬于安規器件，通常要求通過(guò)UL1439認證。

 

 

上圖是PTC的阻抗溫度特性，當過(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，首先要考慮設計工作電流，不能超過(guò)PTC保持電流，此時(shí)PTC可以保持低阻抗狀態(tài)。PTC的保持電流會(huì )隨著(zhù)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)入高阻抗狀態(tài)，斷路保護的電流。

 

額定電壓

 

即PTC能承受的最大電壓，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，設計時(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PTC斷路保護的時(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，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(guò)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(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，設計時(shí)要注意壓降后的電源電壓要滿(mǎn)足要求。

 

和保險絲相比，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絲的兩部左右。PTC保護的時(shí)候，實(shí)際是高電阻狀態(tài)，因此會(huì )有毫安級的漏電流，而保險絲是熔斷機制，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壓二極管(Zener diode)、TVS類(lèi)似，都屬于鉗位型器件，主要用于防護電路瞬態(tài)過(guò)壓，例如浪涌。

 

MOV的理想伏安特性

 

選擇防護器件，主要考慮兩個(gè)方面：一是防護器件在正常工作條件下不能動(dòng)作或者損壞，二是在設計范圍內的異常情況下要能起到保護電路的作用，即防護能力。

 

 

額定工作電壓

 

額定工作電壓可以認為是MOV能保持高阻抗狀態(tài)的最高持續工作電壓。根據應用場(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，導致電路無(wú)法工作。

 

主要用于防護瞬態(tài)高壓，持續的過(guò)高電壓會(huì )導致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)被防護器件的最高耐壓，超過(guò)時(shí)，需要采用多級防護，例如后級加一個(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2個(gè)3000A的8/20us的浪涌脈沖，連續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線(xiàn)上。MOV的響應時(shí)間比TVS慢，對一些快速的脈沖，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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