電源設計中容易被忽視的小電阻

也許你曾經試過，產品在客戶使用一段時間後，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候，不妨先將目光放到那些小小的貼片電阻上面。T5Jednc

兩個關鍵參數和降額曲線

先來看看某廠家五種常用封裝電阻的參數表。其中表中有兩個值：額定工作電壓和最大工作電壓。T5Jednc

表1：T5Jednc

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額定工作電壓是與功率掛鈎的，計算公式是：V ＝ √R＊P。T5Jednc

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！看下面這個圖，可以看出額定功率是在最高環境溫度70℃的條件下標註的（不同廠家，系列可能有微小區別，在設計之初和問題查找的時候應該核實清楚。）T5Jednc

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電阻溫度降額曲線T5Jednc

注意事項：T5Jednc

1. 設計和使用貼片電阻時，當最大功率超過其額定功率，其可靠性會降低。一般按額定功率的70％降額設計使用。當環境溫度超過70℃時，必須進一步降額。
2. 工作電壓一般按最高額定電壓的75％降額設計使用。瞬態電壓不能超過最大工作電壓，否則有擊穿的危險。
3. 對於電阻值小於1Ω電阻，電阻的關鍵參數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，電阻流過電流大，建議直接使用電流有效值計算電阻的實際工作功耗。

電阻在過功率的情況下，一般會出現兩種情況：T5Jednc

1、瞬時過功率：電阻外觀基本沒有變化，但是電阻已經開路；T5Jednc

2、長時間過功率：電阻溫度極高，其阻值發生變化，如果在惡劣的條件下，就會燒毀開路。T5Jednc

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瞬間過功率損壞，外觀基本沒變化，其實已經開路T5Jednc

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長時間過功率，電阻高溫直接碳化燒毀T5Jednc

PCB布板也有講究

貼片電阻的另外一種常見的損壞是機械損傷後呈開路狀態，後續導致電路異常（器件外觀有可能正常）。T5Jednc

下面是幾個小建議：T5Jednc

1. 如果是手摺板的話（極少使用，無法機器分板，毛刺大），貼片電阻長度方向平行於PCB板邊，零件受的應力小；如果是V－CUT的話，貼片器件長度方向垂直於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，適當加厚PCB板厚度，特別是面積比較大的板子。（下面是兩個簡單的示意圖，實際情況請實際分析。）

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手摺板簡單示意圖T5Jednc

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V－CUT板簡單示意圖T5Jednc

合理減少種類

下圖是兩顆電極氧化了的貼片電阻（電極表面有點黑），別看它們現在好好的，一旦電路進入了惡劣的工作狀態（高溫高溼），電阻就會因為虛焊而使電路工作在不可預測的狀態，繼而損壞。T5Jednc

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氧化的電阻T5Jednc

除了要保證採購的電阻在保質期內和倉庫提供合適的保存環境（具體參照實際產品手冊）以外，我們工程師作為使用者，也儘可能減少使用特殊阻值的電阻，以減少這種風險。T5Jednc

儘管貼片電阻以性能穩定著稱，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節，就可以儘可能減少小概率事故的發生，大大提高產品穩定性。T5Jednc

另外，高性能電阻器在電源設計中也有很多用途：T5Jednc

市場上有各種各樣的供電電源，這些電源設計中採用的多種電阻器更是大大拓展了選擇範圍。為明確起見，本文所涉及的電源是指具有高達幾千伏固定直流輸出的電源設備。T5Jednc

無論何種應用，電源設計人員都必須了解所適用領域的具體安全或環境規定，以及實際的電氣性能。本文將重點介紹如何使用電阻來調節電源輸出並保護電源不出故障。T5Jednc

電源的分類通常取決於輸入是交流還是直流，以及使用何種類型的調節方式來提供正確的直流輸出，通常是開關模式或線性模式。T5Jednc

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轉換器使用開關模式技術將輸入電壓調節為更高（升壓）或更低（降壓）的輸出電壓。T5Jednc

現成的電源適於許多市場和常規用途，但在某些情況下需要定製設計。T5Jednc

線性穩壓器

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計一個如圖1所示的電路。T5Jednc

該電路使用齊納二極體為負載（R2）提供恆定電壓。R1用於提供最小電流以保持齊納二極體處於恆定擊穿狀態，並提供負載電流。T5Jednc

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一個簡單的齊納二極體穩壓器電路T5Jednc

此類系統適用於功率較低且供電電壓和負載都相當穩定的電路。如果負載電流降低或電源電壓突然增加，則可能會超出齊納二極體的額定功耗。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體和負載的組合功率要求即可。T5Jednc

對於供電電壓或負載可能變化的電源，串聯設計可以使用傳輸電晶體（pass transistor），這將確保負載電流穩定，並可將電壓輸出降低到所期望的範圍。T5Jednc

圖2示出了這種電路。這些設計通常使用IC或低壓差（LDO）穩壓器來調節負載電源。由R1和R2形成的分壓器感測並設置相對於參考電壓的電壓輸出。如果電路具有固定輸出，則分壓器位於內部；對於其它應用，可以在外部放置一兩個電阻。T5Jednc

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中的公式輕鬆計算最差情況下的數值，首先選R1最大值和R2最小值，然後選R2最大值和R1最小值。這些計算可顯示出與期望輸出的最大電壓偏差。T5Jednc

開關電源

由於串聯的傳輸器件和負載都會消耗能量，線性電源可能效率比較低。隨著負載上壓降的增加，效率會更低。T5Jednc

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線性串聯穩壓器簡圖T5Jednc

為提高效率，設計師經常使用另一種電源拓撲結構。開關電源（SMPS）採用未經調節的輸入直流電壓，並以高頻率（10kHz至1MHz）進行切換。佔空比決定整流和平滑後的直流輸出電壓。T5Jednc

SMPS輸出的調節也使用分壓器，但是要調節開關頻率和佔空比。通過避免線性穩壓器壓降帶來的損失，SMPS可實現高達95％的效率。由於高頻變壓器和濾波器／儲能電容器尺寸要小得多，SMPS也可能比類似功率的線性AC－DC電源設計更緊湊。T5Jednc

SMPS的主要缺點是它要求必須有最小負載，空載狀態可能會損壞電源。為避免這種情況，設計人員經常使用一個功率電阻作為假負載。T5Jednc

如果主負載斷開，該電阻器可以用於吸收最小的特定負載電流。當然，假負載電阻也會有功耗，從而影響整體電源效率，因此在選定電阻時需要考慮這個因素。T5Jednc

規避該問題的另一種方法是當負載開路時在輸出端使用分流電阻。出於安全目的，SMPS設計也會採用其它電阻器。低阻值、高功率電阻器通常可防止過壓情況。而限流設計則可防止短路。T5Jednc

此類開關技術也可以用於DC－DC轉換器設計，將直流電壓的一個值調節為另一個值。降壓轉換器在工作原理上非常類似於前述的SMPS設計。T5Jednc

升壓轉換器則使用電荷泵技術輸出比輸入端更高的電壓。這兩種技術都使用類似方法來調節輸出電壓並提供電路保護。T5Jednc

電阻器在電源設計中的其它用途

放電電阻器主要用於對電路中的電容器進行放電。它們與負載並聯，在AC－DC和DC－DC轉換器中分別用於對平滑電容器和儲能電容器進行放電。T5Jednc

電源關閉後，電容器保持充電狀態，有可能對用戶造成傷害，因此需要放電。當為這項任務選擇電阻時，需要權衡兩點：它們應具有足夠高的阻值，以便當電路工作時耗電很少；為給電容器快速放電，其阻值又要足夠低。T5Jednc

浪湧限制電阻器可以限制AC－DC電源在初次接通並且儲能電容器充電時可能引起的浪湧電流量。這些電阻通常阻值很低，並且與交流電源線串聯。對於更高功率的電源，通常使用負溫度係數（NTC）電阻器來達到這一目的。T5Jednc

這些電阻的阻值隨自身發熱而下降。使用此類電阻器的一個缺點是在工作期間溫度必須保持恆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。它能比採用瓦為單位的正常持續功率標度更好地表述其功能。T5Jednc

平衡電阻器用於在使用多個電源時調製負載電流。通常，與使用單個高功率大電源相比，並聯設置使用多個DC－DC轉換器可以更便宜、更節能、更緊湊。T5Jednc

在設計此類電路時，不能簡單地將輸出連接在一起，必須採用一個方法來確保平均分擔負載。圖3顯示RSHARE電阻填平了轉換器輸出之間的餘差。T5Jednc

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平衡電阻在DC－DC轉換器之間分擔負載T5Jednc

這種負載分擔方法也用於其它類型的電源設計，特別是那些使用功率電晶體的設計。並聯多個電晶體為負載供電，負載分配電阻在串聯中使用。T5Jednc

另一種需要平衡的場合如圖4所示。在這種情況下，儲能電容器與直流電源輸出串聯。電解電容器的漏電流起的作用類似於跟電容器並聯的電阻，如圖中的RL1和RL2。T5Jednc

這些阻值可能會有相當大的變化，並且由於它們在整個輸出端起分壓器的作用，可能會導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。T5Jednc

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平衡電阻器確保輸出電容器兩端的電壓相等T5Jednc

高壓分壓器用於向調節電路提供反饋。這些電阻器通常還有其它次要作用，例如監測除顫器中的高壓電源，以及為儲能電容器充電並在期望的充電電平下關斷電源。T5Jednc

高電流檢測用於測量供電電流。這種測量方法採用分流電流表原理，需要串聯一個低值電阻，並測量其上的壓降以計算電流大小。T5Jednc

此類電路設計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熱和功耗，另一方面又要求高阻抗以便於測量。T5Jednc

總結

幾乎所有電源設計中的電阻選擇都有不同的特性優先級和性能要求，包括需要能夠處理高電壓、大電流和高功率的電阻器，以及需要低容差的電阻器。通常還需要電阻具有特定的屬性，如浪湧抑制能力或負TCR等。T5Jednc

（來源：電子森林微信公眾號）T5Jednc