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，給電阻加一個恒定電壓，會產(chǎn)生多大電流；也可以，通過焦耳定律來定義，當(dāng)電阻流過一個電流，單位時間內(nèi)會產(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nH，極間電容也有幾個pF，大多只能用到幾百M(fèi)Hz或幾個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標(biāo)準(zhǔn)阻值，通常為6的倍數(shù)。例如，E12系列有12個不同的阻值，E192系列有192個不同的阻值。

● 每個系列的阻值都近似是一個等比數(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%精度對應(yīng)是E48系列有48個阻值，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%)

 

對于大于10Ω，通常有3位數(shù)字表示阻值，前兩個表示阻值基數(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)字加一個字母表示，2位數(shù)字代表是E96系列的第幾個阻值，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，前兩個或三個環(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?。粸榱烁泳_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)的時候，應(yīng)該都使用過滑動變阻器做實(shí)驗(yàn)，動一動滑動變阻器，小燈泡可以變亮或變暗?；瑒幼冏杵骶褪强烧{(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，這是一種三端口器件。電位器被中間抽頭分成兩個電阻，通過中間抽頭可以改變兩個電阻的阻值，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端口，純粹一個可以精確調(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，電阻值就會隨著變化，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(shè)計應(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電阻會變得很大，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。

 

對于一些室外應(yīng)用的電子設(shè)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，大都只能滿足商業(yè)級應(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)。通常都會加一個大功率電阻做預(yù)加熱功能，當(dāng)溫度上來后，設(shè)備啟動了再關(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，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再簡單不過的定位神器，就是給水泥電阻焊一個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幾分鐘，沒有問題，再換一個，問題復(fù)現(xiàn)，問題聚焦到某個芯片上，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)計中，為了調(diào)試方便或者作兼容設(shè)計經(jīng)常使用。例如在作預(yù)研設(shè)計時，為了調(diào)試時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，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，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，此時單獨(dú)弄一組DCDC或者LDO都不太合適，因?yàn)殡娏魈?。此時可以使用穩(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

 

對于高速信號，PCB走線需要考慮傳輸線模型，要保證阻抗匹配，防止信號反射會影響信號完整性。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，即在信號源端串聯(lián)一個電阻，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，信號反射回來會被源端信號，不會再次反射。
 

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絲類似，就是過流保護(hù)，區(qū)別就是保險絲是一次性的，而PTC是可恢復(fù)的，而很多時候換保險絲是不可接受的，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非常適合短時過流。

 

 

保持電流

 

選用PTC的時候，首先要考慮設(shè)計工作電流，不能超過PTC保持電流，此時PTC可以保持低阻抗?fàn)顟B(tài)。PTC的保持電流會隨著工作溫度的升高而降低，因此，工作溫度時需要考慮的重要因素。

 

動作電流

 

動作電流，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可能會被擊穿短路，進(jìn)而引起燒毀。因此，設(shè)計時要考慮各種情況下PTC的工作電壓不能超過其額定電壓。

 

當(dāng)PTC斷路保護(hù)的時候，會承受整個電源電壓，PTC選型的時候，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將會損壞。

 

直流電阻

 

PTC直流電阻的存在，會使PTC存在一定的直流壓降，設(shè)計時要注意壓降后的電源電壓要滿足要求。

 

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(hù)的時候，實(shí)際是高電阻狀態(tài)，因此會有毫安級的漏電流，而保險絲是熔斷機(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，主要考慮兩個方面：一是防護(hù)器件在正常工作條件下不能動作或者損壞，二是在設(shè)計范圍內(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。超過這個電壓，MOV可能動作或者損壞，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，阻抗會下降，通過大電流，瞬態(tài)高壓會被抑制，但不會降為零，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，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，需要采用多級防護(hù)，例如后級加一個大功率電阻去耦，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3500A的8/20us的浪涌脈沖，連續(xù)2個3000A的8/20us的浪涌脈沖，連續(xù)20個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上。MOV的響應(yīng)時間比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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