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(wú)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(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(dāng)電阻流過(guò)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(chǎng)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)：

　　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。

　　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。

　　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(kāi)多少次方，基數(shù)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(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(duì)應(yīng)是E48系列有48個(gè)阻值，有興趣的可以算一下是哪些值。

　　阻值標(biāo)記

　　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(lái)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(lèi)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(lái)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(lái)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(lèi)繁多，可以根據(jù)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，顧名思義就是電阻阻值是定值，不可變，大多數(shù)時(shí)候，我們使用的電阻都是固定值的，可以根據(jù)封裝的不同大致再分類(lèi)。

　　2.1.1 軸向引線電阻

　　軸線引線電阻通常都是圓柱形，兩個(gè)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。

　　01繞線電阻

　　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(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(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(shù)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(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(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(shì)就是耐高溫。

　　2.1.2 片狀電阻01金屬箔電阻

　　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。

　　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(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。

　　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(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)電阻還記得上中學(xué)的時(shí)候，我們應(yīng)該都使用過(guò)滑動(dòng)變阻器做過(guò)實(shí)驗(yàn)，動(dòng)一動(dòng)滑動(dòng)變阻器，小燈泡可以變亮或變暗，滑動(dòng)變阻器就是可調(diào)電阻，原理都是一樣的。

　　可調(diào)電阻，通常分成了三種：

　　電位器/分壓器

　　電位器或分壓計(jì)，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。

　　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(gè)端口，純粹一個(gè)可以精確調(diào)整阻值的電阻。

　　微調(diào)器

　　其實(shí)也是電位器，只不過(guò)不需要經(jīng)常調(diào)整，例如設(shè)備出廠的時(shí)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(lèi)敏感元件，這類(lèi)電阻大都對(duì)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(huì)隨著變化，通?？梢杂米鱾鞲衅鳎绻饷綦娮?、濕敏電阻、磁敏電阻等等，在電路設(shè)計(jì)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。

　　01熱敏電阻

　　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(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(jié)而成。

　　PTC溫度系數(shù)具有很強(qiáng)的非線性，當(dāng)溫度超過(guò)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(guò)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(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(hù)和過(guò)壓保護(hù)。

　　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。

　　03

　　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。

　　01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(mǎn)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。

　　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(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)，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(guī)格書(shū)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(mǎn)足設(shè)計(jì)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。

　　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(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(shū)，提取關(guān)鍵參數(shù)，判斷是否滿(mǎn)足應(yīng)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(shù)的對(duì)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(xiǎn)絲比較類(lèi)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(hù)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。

　　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(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。

　　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(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。

　　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(guò)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(mǎn)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、TVS類(lèi)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。

　　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(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)，上圖中的器件可以在有效值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。

　　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(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)器件的最高耐壓，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。

　　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(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。