也許你曾經(jīng)試過,產(chǎn)品在客戶使用一段時(shí)間后,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(shí)候,不妨先將目光放到那些小小的貼片電阻上面。
兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)和降額曲線
先來看看某廠家五種常用封裝電阻的參數(shù)表。其中表中有兩個(gè)值:額定工作電壓和最大工作電壓。
表1:
額定工作電壓是與功率掛鉤的,計(jì)算公式是:V = √R*P。
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(gè)圖,可以看出額定功率是在最高環(huán)境溫度70℃的條件下標(biāo)注的(不同廠家,系列可能有微小區(qū)別,在設(shè)計(jì)之初和問題查找的時(shí)候應(yīng)該核實(shí)清楚。)
電阻溫度降額曲線
注意事項(xiàng):
1、設(shè)計(jì)和使用貼片電阻時(shí),當(dāng)最大功率超過其額定功率,其可靠性會(huì)降低。一般按額定功率的70%降額設(shè)計(jì)使用。當(dāng)環(huán)境溫度超過70℃時(shí),必須進(jìn)一步降額。
2、工作電壓一般按最高額定電壓的75%降額設(shè)計(jì)使用。瞬態(tài)電壓不能超過最大工作電壓,否則有擊穿的危險(xiǎn)。
3、對(duì)于電阻值小于1Ω電阻,電阻的關(guān)鍵參數(shù)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(shí),電阻流過電流大,建議直接使用電流有效值計(jì)算電阻的實(shí)際工作功耗。
電阻在過功率的情況下,一般會(huì)出現(xiàn)兩種情況:
1、瞬時(shí)過功率:電阻外觀基本沒有變化,但是電阻已經(jīng)開路;
2、長(zhǎng)時(shí)間過功率:電阻溫度極高,其阻值發(fā)生變化,如果在惡劣的條件下,就會(huì)燒毀開路。
瞬間過功率損壞,外觀基本沒變化,其實(shí)已經(jīng)開路
長(zhǎng)時(shí)間過功率,電阻高溫直接碳化燒毀
PCB布板也有講究
貼片電阻的另外一種常見的損壞是機(jī)械損傷后呈開路狀態(tài),后續(xù)導(dǎo)致電路異常(器件外觀有可能正常)。
下面是幾個(gè)小建議:
1、如果是手折板的話(極少使用,無法機(jī)器分板,毛刺大),貼片電阻長(zhǎng)度方向平行于PCB板邊,零件受的應(yīng)力小;如果是V-CUT的話,貼片器件長(zhǎng)度方向垂直于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(dāng)加厚PCB板厚度,特別是面積比較大的板子。(下面是兩個(gè)簡(jiǎn)單的示意圖,實(shí)際情況請(qǐng)實(shí)際分析。)
手折板簡(jiǎn)單示意圖
V-CUT板簡(jiǎn)單示意圖
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(diǎn)黑),別看它們現(xiàn)在好好的,一旦電路進(jìn)入了惡劣的工作狀態(tài)(高溫高濕),電阻就會(huì)因?yàn)樘摵付闺娐饭ぷ髟诓豢深A(yù)測(cè)的狀態(tài),繼而損壞。
氧化的電阻
除了要保證采購(gòu)的電阻在保質(zhì)期內(nèi)和倉(cāng)庫(kù)提供合適的保存環(huán)境(具體參照實(shí)際產(chǎn)品手冊(cè))以外,我們工程師作為使用者,也盡可能減少使用特殊阻值的電阻,以減少這種風(fēng)險(xiǎn)。
盡管貼片電阻以性能穩(wěn)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(xì)節(jié),就可以盡可能減少小概率事故的發(fā)生,大大提高產(chǎn)品穩(wěn)定性。
另外,高性能電阻器在電源設(shè)計(jì)中也有很多用途:
市場(chǎng)上有各種各樣的供電電源,這些電源設(shè)計(jì)中采用的多種電阻器更是大大拓展了選擇范圍。為明確起見,本文所涉及的電源是指具有高達(dá)幾千伏固定直流輸出的電源設(shè)備。
無論何種應(yīng)用,電源設(shè)計(jì)人員都必須了解所適用領(lǐng)域的具體安全或環(huán)境規(guī)定,以及實(shí)際的電氣性能。本文將重點(diǎn)介紹如何使用電阻來調(diào)節(jié)電源輸出并保護(hù)電源不出故障。
電源的分類通常取決于輸入是交流還是直流,以及使用何種類型的調(diào)節(jié)方式來提供正確的直流輸出,通常是開關(guān)模式或線性模式。
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(zhuǎn)換器使用開關(guān)模式技術(shù)將輸入電壓調(diào)節(jié)為更高(升壓)或更低(降壓)的輸出電壓。
現(xiàn)成的電源適于許多市場(chǎng)和常規(guī)用途,但在某些情況下需要定制設(shè)計(jì)。
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(shè)計(jì)一個(gè)如圖1所示的電路。
該電路使用齊納二極管為負(fù)載(R2)提供恒定電壓。R1用于提供最小電流以保持齊納二極管處于恒定擊穿狀態(tài),并提供負(fù)載電流。
一個(gè)簡(jiǎn)單的齊納二極管穩(wěn)壓器電路
此類系統(tǒng)適用于功率較低且供電電壓和負(fù)載都相當(dāng)穩(wěn)定的電路。如果負(fù)載電流降低或電源電壓突然增加,則可能會(huì)超出齊納二極管的額定功耗。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管和負(fù)載的組合功率要求即可。
對(duì)于供電電壓或負(fù)載可能變化的電源,串聯(lián)設(shè)計(jì)可以使用傳輸晶體管(pass transistor),這將確保負(fù)載電流穩(wěn)定,并可將電壓輸出降低到所期望的范圍。
圖2示出了這種電路。這些設(shè)計(jì)通常使用IC或低壓差(LDO)穩(wěn)壓器來調(diào)節(jié)負(fù)載電源。由R1和R2形成的分壓器感測(cè)并設(shè)置相對(duì)于參考電壓的電壓輸出。如果電路具有固定輸出,則分壓器位于內(nèi)部;對(duì)于其它應(yīng)用,可以在外部放置一兩個(gè)電阻。
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中的公式輕松計(jì)算最差情況下的數(shù)值,首先選R1最大值和R2最小值,然后選R2最大值和R1最小值。這些計(jì)算可顯示出與期望輸出的最大電壓偏差。
由于串聯(lián)的傳輸器件和負(fù)載都會(huì)消耗能量,線性電源可能效率比較低。隨著負(fù)載上壓降的增加,效率會(huì)更低。
線性串聯(lián)穩(wěn)壓器簡(jiǎn)圖
為提高效率,設(shè)計(jì)師經(jīng)常使用另一種電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。開關(guān)電源(SMPS)采用未經(jīng)調(diào)節(jié)的輸入直流電壓,并以高頻率(10kHz至1MHz)進(jìn)行切換。占空比決定整流和平滑后的直流輸出電壓。
SMPS輸出的調(diào)節(jié)也使用分壓器,但是要調(diào)節(jié)開關(guān)頻率和占空比。通過避免線性穩(wěn)壓器壓降帶來的損失,SMPS可實(shí)現(xiàn)高達(dá)95%的效率。由于高頻變壓器和濾波器/儲(chǔ)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(shè)計(jì)更緊湊。
SMPS的主要缺點(diǎn)是它要求必須有最小負(fù)載,空載狀態(tài)可能會(huì)損壞電源。為避免這種情況,設(shè)計(jì)人員經(jīng)常使用一個(gè)功率電阻作為假負(fù)載。
如果主負(fù)載斷開,該電阻器可以用于吸收最小的特定負(fù)載電流。當(dāng)然,假負(fù)載電阻也會(huì)有功耗,從而影響整體電源效率,因此在選定電阻時(shí)需要考慮這個(gè)因素。
規(guī)避該問題的另一種方法是當(dāng)負(fù)載開路時(shí)在輸出端使用分流電阻。出于安全目的,SMPS設(shè)計(jì)也會(huì)采用其它電阻器。低阻值、高功率電阻器通常可防止過壓情況。而限流設(shè)計(jì)則可防止短路。
此類開關(guān)技術(shù)也可以用于DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì),將直流電壓的一個(gè)值調(diào)節(jié)為另一個(gè)值。降壓轉(zhuǎn)換器在工作原理上非常類似于前述的SMPS設(shè)計(jì)。
升壓轉(zhuǎn)換器則使用電荷泵技術(shù)輸出比輸入端更高的電壓。這兩種技術(shù)都使用類似方法來調(diào)節(jié)輸出電壓并提供電路保護(hù)。
電阻器在電源設(shè)計(jì)中的其它用途
放電電阻器主要用于對(duì)電路中的電容器進(jìn)行放電。它們與負(fù)載并聯(lián),在AC-DC和DC-DC轉(zhuǎn)換器中分別用于對(duì)平滑電容器和儲(chǔ)能電容器進(jìn)行放電。
電源關(guān)閉后,電容器保持充電狀態(tài),有可能對(duì)用戶造成傷害,因此需要放電。當(dāng)為這項(xiàng)任務(wù)選擇電阻時(shí),需要權(quán)衡兩點(diǎn):它們應(yīng)具有足夠高的阻值,以便當(dāng)電路工作時(shí)耗電很少;為給電容器快速放電,其阻值又要足夠低。
浪涌限制電阻器可以限制AC-DC電源在初次接通并且儲(chǔ)能電容器充電時(shí)可能引起的浪涌電流量。這些電阻通常阻值很低,并且與交流電源線串聯(lián)。對(duì)于更高功率的電源,通常使用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)電阻器來達(dá)到這一目的。
這些電阻的阻值隨自身發(fā)熱而下降。使用此類電阻器的一個(gè)缺點(diǎn)是在工作期間溫度必須保持恒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。它能比采用瓦為單位的正常持續(xù)功率標(biāo)度更好地表述其功能。
平衡電阻器用于在使用多個(gè)電源時(shí)調(diào)制負(fù)載電流。通常,與使用單個(gè)高功率大電源相比,并聯(lián)設(shè)置使用多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器可以更便宜、更節(jié)能、更緊湊。
在設(shè)計(jì)此類電路時(shí),不能簡(jiǎn)單地將輸出連接在一起,必須采用一個(gè)方法來確保平均分擔(dān)負(fù)載。圖3顯示RSHARE電阻填平了轉(zhuǎn)換器輸出之間的余差。
平衡電阻在DC-DC轉(zhuǎn)換器之間分擔(dān)負(fù)載
這種負(fù)載分擔(dān)方法也用于其它類型的電源設(shè)計(jì),特別是那些使用功率晶體管的設(shè)計(jì)。并聯(lián)多個(gè)晶體管為負(fù)載供電,負(fù)載分配電阻在串聯(lián)中使用。
另一種需要平衡的場(chǎng)合如圖4所示。在這種情況下,儲(chǔ)能電容器與直流電源輸出串聯(lián)。電解電容器的漏電流起的作用類似于跟電容器并聯(lián)的電阻,如圖中的RL1和RL2。
這些阻值可能會(huì)有相當(dāng)大的變化,并且由于它們?cè)谡麄€(gè)輸出端起分壓器的作用,可能會(huì)導(dǎo)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(yīng)。
平衡電阻器確保輸出電容器兩端的電壓相等
高壓分壓器用于向調(diào)節(jié)電路提供反饋。這些電阻器通常還有其它次要作用,例如監(jiān)測(cè)除顫器中的高壓電源,以及為儲(chǔ)能電容器充電并在期望的充電電平下關(guān)斷電源。
高電流檢測(cè)用于測(cè)量供電電流。這種測(cè)量方法采用分流電流表原理,需要串聯(lián)一個(gè)低值電阻,并測(cè)量其上的壓降以計(jì)算電流大小。
此類電路設(shè)計(jì)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(fā)熱和功耗,另一方面又要求高阻抗以便于測(cè)量。
總結(jié)
幾乎所有電源設(shè)計(jì)中的電阻選擇都有不同的特性優(yōu)先級(jí)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,如浪涌抑制能力或負(fù)TCR等。
-
電源設(shè)計(jì)
+關(guān)注
關(guān)注
31文章
1535瀏覽量
66389 -
電阻器
+關(guān)注
關(guān)注
21文章
3781瀏覽量
62114
原文標(biāo)題:電源設(shè)計(jì)中容易被忽視的小電阻
文章出處:【微信號(hào):eda365wx,微信公眾號(hào):EDA365電子論壇】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論