一、电阻的基本原理
电阻,和电感、电容一起,是电子学三大基本无源器件;从能量的角度,电阻是一个耗能元件,将电能转化为热能。

 

数年前,出现了第四种基本无源器件,叫忆阻器(Memristor),代表磁通量和电荷量之间的关系。XX 文库里也有很多资料,有兴趣可以了解一下。

 

图片出自维基百科 Memristor

 

通常,都是根据欧姆定律来定义电阻,给电阻加一个恒定电压,会产生多大电流;也可以,通过焦耳定律来定义,当电阻流过一个电流,单位时间内会产生多少热量。

 

实际电阻的等效模型:

 

 

同样的,实际电阻都是非理想的,存在一定引线电感和极间电容,当应用场合频率较高,这些因数不能忽略。

 

某薄膜电阻的频率特性


上图电阻的高频特性非常好,可以看到极间电容只有 0.03pF,引线电感只有 0.002nH,其中 75Ω的电阻可以到 30GHz。我们通常使用的贴片电阻大都是厚膜电阻,性能远达不到如此,其引线电感有几个 nH,极间电容也有几个 pF,大多只能用到几百 MHz 或几个 GHz。

 

标准阻值表:

 

上图出自 Vishay 文档

 

通常电阻阻值都是标准,上图给出了不同精度(容差)的电阻的标准阻值,通常乘以 10 的倍数或除以 10 的倍数,就可以得到所有阻值。

 

如何记住上述阻值表呢?其实也很简单,注意以下三点:

 

不同精度的电阻对应着不同精度的系列。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。

 

系列名中的数字代表着该系列有几个标准阻值,通常为 6 的倍数。例如,E12 系列有 12 个不同的阻值,E192 系列有 192 个不同的阻值。

 

每个系列的阻值都近似是一个等比数列,公比为 10 开多少次方,基数是 10Ω。例如 E12 系列的公比是 10 开 12 次方,E96 系列的公比都是 10 开 96 次方。


有兴趣的可以按照上表数一数,算一算是不是上述规律。另外,根据 IEC 的规定,2%精度对应是 E48 系列有 48 个阻值,有兴趣的可以算一下是哪些值。上表中,Vishay 可能不生产该系列了。

 

阻值标记(Marking)

通常我们使用最多的就是 5%和 1%的片状电阻,一般 0603 以上的电阻封装上都有标记表示电阻值。


E24 系列(5%)

对于大于 10Ω,通常有 3 位数字表示阻值,前两个表示阻值基数,最后一位表示乘以 10 的几次方。例如标记 100 代表 10Ω,而不是 100Ω,472 代表 4.7kΩ。小于 10Ω通常用 R 来表示小数点,例如 2R2,表示 2.2Ω。

 

E96 系列(1%)
通常由 2 位数字加一个字母表示,2 位数字代表是 E96 系列的第几个阻值,字母表示乘以 10 的几次方,其中 Y 代表 -1,X 代表 0,A 代表 1,B 代表 2,C 代表 3,以此类推。例如 47C,从表中数到 47 个阻值,是 30.1,C 代表乘以 10 的 3 次方,就是 30.1kΩ。

 

另外,对于轴向引线封装的电阻,阻值标记都是一圈一圈的色环,具体含义如下图所示:

 

阻值色环码

 

从左往右,前两个或三个环代表数字,接下来的环代表乘数,与前面的数字相乘便是阻值。再接下来的环代表电阻的容差,最后就是电阻的温度系数。

 

二、电阻的工艺与结构
电阻的工艺种类繁多,可以根据阻值是否可以变化,分成两大类介绍:

 

固定电阻

 

可变电阻

 

2.1 固定电阻

固定电阻,顾名思义就是电阻值是定值,不可变。大多数时候,我们使用的电阻都是固定值的。可以根据封装的不同大致再分类

 

2.1.1 轴向引线电阻(Axial Leaded Resistor)

轴线引线电阻通常都是圆柱形,两个外电极是圆柱体两端的轴向导线,根据材料和工艺的不同还可以再分为多种。

 

绕线电阻(Wire Wound Resistor):

 

 

绕线电阻是将镍铬合金导线绕在氧化铝陶瓷基底上,一圈一圈控制电阻大小。绕线电阻可以制作为精密电阻,容差可以到 0.005%,同时温度系数非常低,缺点是绕线电阻的寄生电感比较大,不能用于高频。绕线电阻的体积可以做的很大,然后加外部散热器,可以用作大功率电阻。

 

碳合成电阻(Carbon Composition Resistor):

 

 

碳合成电阻主要是由碳粉末和粘合剂一起烧结成圆柱型的电阻体,其中碳粉末的浓度决定了电阻值的大小,在两端加镀锡铜引线,最后封装成型。碳合成电阻工艺简单,原材料也容易获得,所以价格最便宜。但是碳合成电阻的性能不太好,容差比较大(也就是做不了精密电阻),温度特性不好,通常噪声比较大。碳合成电阻耐压性能较好,由于内部是可以看作是碳棒,基本不会被击穿导致被烧毁。

 

碳膜电阻(Carbon Film Resistor):

 

 

碳膜电阻主要是在陶瓷棒上形成一层碳混合物膜,例如直接涂一层,碳膜的厚度和其中碳浓度可以控制电阻的大小;为了更加精确的控制电阻,可以在碳膜上加工出螺旋沟槽,螺旋越多电阻越大;最后加金属引线,树脂封装成型。碳膜电阻的工艺更加复杂一点,可以做精密电阻,但由于碳质的原因,还是温度特性不太好。

 

金属膜电阻(Metal Film Resistor):

与碳膜电阻结构类似,金属膜电阻主要是利用真空沉积技术在陶瓷棒上形成一层镍铬合金镀膜,然后在镀膜上加工出螺旋沟槽来精确控制电阻。金属膜电阻可以说是性能比较好的电阻,精度高,可以做 E192 系列,然后温度特性好,噪声低,更加稳定。Metal film resistor Â

 

金属氧化物膜电阻(Metal Oxide Film Resistor):

 

上图出自 Metal oxide film resistor

 

与金属膜电阻结构类似,金属氧化物膜主要是在陶瓷棒形成一层锡氧化物膜,为了增加电阻,可以在锡氧化物膜上加一层锑氧化物膜,然后在氧化物膜上加工出螺旋沟槽来精确控制电阻。金属氧化物膜电阻最大的优势就是耐高温。

 

上图出自 Metal oxide film resistor Â

 

2.1.2 片状电阻

金属箔电阻(Metal Foil Resistor):

 

 

金属箔电阻是通过真空熔炼形成镍铬合金,然后通过滚碾的方式制作成金属箔,再将金属箔黏合在氧化铝陶瓷基底上,再通过光刻工艺来控制金属箔的形状,从而控制电阻。金属箔电阻是目前性能可以控制到最好的电阻。

 

厚膜电阻(Thick Film Resistor):

 

 

厚膜电阻采用的丝网印刷法,就是再陶瓷基底上贴一层钯化银电极,然后在电极之间印刷一层二氧化钌作为电阻体。厚膜电阻的电阻膜通常比较厚,大约 100 微米。具体工艺流程如下图所示。

 

 

厚膜电阻是目前应用最多的电阻,价格便宜,容差有 5%和 1%,绝大多数产品中使用的都是 5%和 1%的片状厚膜电阻。

 

薄膜电阻(Thin Film Resistor):

 

 

薄膜电阻就是氧化铝陶瓷基底上通过真空沉积形成镍化铬薄膜,通常只有 0.1um 厚,只有厚膜电阻的千分之一,然后通过光刻工艺将薄膜蚀刻成一定的形状。Thin Film 工艺在此前电容和电感的文章中已经提到过多次了,光刻工艺十分精确,可以形成复杂的形状,因此,薄膜电容的性能可以控制的很好。

 

上图出自 panasonic chip resistors

 

2.2 可变电阻

可变电阻就是电阻值可以变化,可以有两种:一是可以手动调整阻值的电阻;另一种就是电阻值可以根据其他物理条件而变化。

 

2.2.1 可调电阻

上中学的时候,应该都使用过滑动变阻器做实验,动一动滑动变阻器,小灯泡可以变亮或变暗。滑动变阻器就是可调电阻,原理都是一样的。

 

可调电阻,通常分成了三种:

Potentiometer

电位器或分压计,这是一种三端口器件。电位器被中间抽头分成两个电阻,通过中间抽头可以改变两个电阻的阻值,就可以改变分得的电压。

 

Rheostat

变阻器,其实就是电位器,唯一的区别就是变阻器只需要用到两个端口,纯粹一个可以精确调整阻值的电阻。

 

Trimmer

微调器,其实也是电位器,只不过不需要经常调整,例如设备出厂的时候调整一下即可,通常需要用螺丝刀等特殊工具才能调整。

 

2.2.2 敏感电阻

敏感电阻是一类敏感元件,这类电阻大都对某种物理条件特别敏感,该物理条件一变化,电阻值就会随着变化,通常可以用作传感器, 例如光敏电阻、湿敏电阻、磁敏电阻等等。在电路设计应用比较多的应该是热敏电阻和压敏电阻,常用作保护器件。

 

热敏电阻:

 

上图出自 Murata Application Manual - PTC

 

PTC 就是正温度系数电阻,通常有两种:一种是陶瓷材料,叫 CPTC,适用于高电压大电流场合;另一种是高分子聚合物材料,叫 PPTC,适用于低电压小电流场合。

 

陶瓷 PTC,其电阻材料是一种多晶体陶瓷,是碳酸钡、二氧化钛等多种材料的混合物烧结而成。PTC 温度系数具有很强的非线性,当温度超过一定阈值时电阻会变得很大,相当于断路,从而可以起到短路和过流保护的作用。

 

同时还有负温度系数电阻,即 NTC 就不详细介绍了。

 

压敏电阻:

 

图片上图出自 Varistor and the Metal Oxide Varistor Tutorial

 

压敏电阻通常都是金属氧化物可变电阻,即 Metal Oxide Varistor(MOV),其电阻材料是氧化锌颗粒和陶瓷颗粒混合后一起烧结成型。MOV 的特性就是当电压超过一定阈值的时候,电阻迅速下降,可以通过大电流,因此可以用于浪涌防护和过压保护。

 

将氧化锌陶瓷采用和 MLCC 类似的工艺制作成多层型压敏电阻,即 MLV。MLV 封装较小,通常是片状的,额定电压和通流能力都比 MOV 小很多,适用于低压直流场合。

 

三、电阻的应用与选型
电阻的厂商主要有国巨、松下、罗姆、威世、还有国内的风华高科等等。

 

3.1 电阻的应用

基本上没有电路板会不用电阻,任何电路板上使用最多的器件就是电容和电阻。各种上下拉电阻,反馈电阻等等。水平有限,简单讲述一下。

 

热效应:

根据焦耳定律,电流流过电阻就会发热。电阻的热效应的应用也有很多,电热毯、电火桶、电水壶。

 

对于一些室外应用的电子设备,特别对于一些集成有高性能 CPU 的 SOC,对工作温度要求很苛刻,大都只能满足商业级应用,大冬天在东北,零下三十多度,温度太低,很可能开不了机。通常都会加一个大功率电阻做预加热功能,当温度上来后,设备启动了再关掉。之所有关掉,因为设备自己工作的功耗也会发热,可以保持温度。

 

作为硬件工程师,经常要跑到环境实验室去定位问题。为了复现一个高温问题,需要跑到环境实验室搭测试环境,关键温箱就那么几个,还要预约,经常要排队太麻烦了。于是我就自己作了一个再简单不过的定位神器,就是给水泥电阻焊一个 DC 电源座子,然后插各种电源适配器,调整温度。然后往某某芯片上放个几分钟,没有问题,再换一个,问题复现,问题聚焦到某个芯片上,在自己的工位上就完成高温问题的定位。

 

零欧姆电阻:

零欧姆电阻也叫跳线电阻(Jumper)。在电路设计中,为了调试方便或者作兼容设计经常使用。例如在作预研设计时,为了调试时能测试芯片的每组电源的工作电流,通常需要用零欧姆电阻将电源分成多路。

 

使用零欧姆电阻时,最常遇到的问题就是功耗怎么算,如何判断选择的电阻是否满足要求?

 

此时,就需要从电阻的规格书中获取相关参数,从下图可以看出 RC0402 的零欧姆电阻,其电阻值不会超过 50mΩ,额定电流不超过 1A,由此就可以判断电阻是否满足设计要求。通常 0402 的零欧姆电阻都可以满足 1A 以下的电流要求。

 

原图截自 GENERAL PURPOSE CHIP RESISTORS - Yageo

 

限流:

有些时候电路中需要一组几十毫安的电源,但是其电压在电路中其他地方都用不到,此时单独弄一组 DCDC 或者 LDO 都不太合适,因为电流太小。此时可以使用稳压管稳压电路。

 

分压:

分压例如 ADC 采样电路,DCDC 输出电压反馈,电平转换等等。

 

匹配电阻:

对于高速信号,PCB 走线需要考虑传输线模型,要保证阻抗匹配,防止信号反射会影响信号完整性。阻抗匹配就是保证负载阻抗与传输线的特征阻抗相等以消除反射。最常用最简单的就是源端串联匹配,即在信号源端串联一个电阻,该电阻和源内阻之和等于传输线特征阻抗,这样即使负载端不匹配,信号反射回来会被源端信号,不会再次反射。

 

此外,还有各种非线性的灵敏电阻,可以用作传感器、保护电路等等。

 

3.2 电阻的选型

选型简单的说,就是根据器件的规格书,提取关键参数,判断是否满足应用的要求。

 

3.2.1 固定值电阻

常见类型的电阻的主要参数的对比如下图所示,出货量最大的应该是厚膜电阻和金属膜电阻。

 

 

3.2.2 热敏电阻

PTC 在电路中的主要作用和保险丝类似,就是过流保护,区别就是保险丝是一次性的,而 PTC 是可恢复的,而很多时候换保险丝是不可接受的,影响客户体验。PTC 也属于安规器件,通常要求通过 UL1439 认证。

 

 

上图是 PTC 的阻抗温度特性,当过流的时候 PTC 发热,温度迅速上升,PTC 的阻抗迅速变大,形成断路,断路后电流下降,发热减少,温度下降,PTC 恢复低阻抗。因此,PTC 非常适合短时过流。

 

 

保持电流:

选用 PTC 的时候,首先要考虑设计工作电流,不能超过 PTC 保持电流,此时 PTC 可以保持低阻抗状态。PTC 的保持电流会随着工作温度的升高而降低,因此,工作温度时需要考虑的重要因素。

 

动作电流:

动作电流,即 PTC 进入高阻抗状态,断路保护的电流。

 

额定电压:

即 PTC 能承受的最大电压,超过额定电压,PTC 可能会被击穿短路,进而引起烧毁。因此,设计时要考虑各种情况下 PTC 的工作电压不能超过其额定电压。

 

当 PTC 断路保护的时候,会承受整个电源电压,PTC 选型的时候,额定电压要大于电源电压。通常考虑降额到 80%,即电源电压 12V,要选择耐压 15V 以上的 PTC。

 

在电源输入端口,需要考虑浪涌防护,此时要考虑最大的浪涌电流,乘以 PTC 的电阻,即 PTC 承受的浪涌电压,不能超过 PTC 额定电压。

 

额定电流:
即在额定电压下,PTC 能承受的最大短路电流,短路电流超过额定电流,PTC 将会损坏。

 

直流电阻:

PTC 直流电阻的存在,会使 PTC 存在一定的直流压降,设计时要注意压降后的电源电压要满足要求。

 

和保险丝相比,PTC 的额定电压和额定电流都小很多,而 PTC 的直流阻抗通常是保险丝的两部左右。PTC 保护的时候,实际是高电阻状态,因此会有毫安级的漏电流,而保险丝是熔断机制,切断电流通路,基本不存在漏电流。

 

3.2.3 压敏电阻

压敏电阻的特性与稳压二极管(Zener diode)、TVS 类似,都属于钳位型器件,主要用于防护电路瞬态过压,例如浪涌。

 

MOV 的理想伏安特性

 

选择防护器件,主要考虑两个方面:一是防护器件在正常工作条件下不能动作或者损坏,二是在设计范围内的异常情况下要能起到保护电路的作用,即防护能力。

 

 

额定工作电压:

额定工作电压可以认为是 MOV 能保持高阻抗状态的最高持续工作电压。根据应用场合,MOV 可以分为交流和直流两种,两种场合用的器件规格是不一样。用于直流场合的 MOV 通常不能用于交流场合。

 

MOV 的额定工作电压,交流场合考虑交流额定电压,即 Vrms 或 Vm(ac),上图中的器件可以有效值 130V 的交流电中正常工作。超过这个电压,MOV 可能动作或者损坏,导致电路无法工作。

 

主要用于防护瞬态高压,持续的过高电压会导致 MOV 损坏。

 

钳位电压:

MOV 是钳位型器件,遇到瞬态高压时,阻抗会下降,通过大电流,瞬态高压会被抑制,但不会降为零,而是依然保持相对高压,通常是额定工作电压的 2 到 3 倍。选择 MOV 时,要注意钳位电压不能超过被防护器件的最高耐压,超过时,需要采用多级防护,例如后级加一个大功率电阻去耦,再加一颗 TVS,利用 TVS 的低钳位电压进一步减小残压。

 

最大脉冲电流:

雷击或者感性负载切换等等,会产生很大浪涌电流,MOV 除了钳位住高压以外,还需要泄放浪涌电流。

 

MOV 能否承受住浪涌电流,主要和一段时间内 MOV 承受的能量大小有关,能量过大,MOV 过热烧毁。能量的大小,和浪涌的波形和数目有关,通常,器件的浪涌能力都按 8/20us 波形能测试。上图中的 MOV,单个 3500A 的 8/20us 的浪涌脉冲,连续 2 个 3000A 的 8/20us 的浪涌脉冲,连续 20 个 750A 的 8/20us 的浪涌脉冲。

 

此外,MOV 的寄生电容比较大,不能用在较高速率的信号线上。MOV 的响应时间比 TVS 慢,对一些快速的脉冲,像 ESD 可能不起作用。这些也是我们需要考虑的因素。