常用外围无源器件的特性及选择

作者：黄山
通信作者：成红玉
校阅：林风

摘要

电阻、电容、电感是模拟电路与开关电源中最基础也最容易被忽视其非理想特性的三类无源器件：阻值对了增益却偏了，容值够了滤波效果却差了，感值选了电感却发热严重。这些问题的根源往往不在于参数本身，而在于对温度特性、直流偏置效应、自热效应、饱和特性、寄生参数及降额规范的忽略。本文梳理三类器件在工程选型中需要同步关注的参数边界、环境约束、失效风险与布局要点，为模拟电路设计、开关电源设计及系统可靠性评估提供一套可对照执行的选型框架。

1 电阻

电阻（Resistor）是电路中最基础的无源器件，主要实现限流、分压、电流采样、阻抗匹配、负载设定等功能。常用类型包括贴片电阻、色环电阻、NTC热敏电阻等。色环电阻采用色标标识与轴向引线封装，其相对于常规贴片电阻的SMT生产流程更为繁琐；NTC热敏电阻阻值随温度显著变化，不属于固定阻值电阻。因此，本文主要以贴片电阻为例展开说明。

1.1 电阻主要参数

电阻选型的第一步，是明确应用场景对阻值、精度、功率、温度系数（Temperature Coefficient of Resistance，TCR）和耐压的基本需求。表1以一颗典型贴片电阻为例，展示其主要参数如下：

1.2 贴片电阻标称阻值与偏差^[1][2]

贴片电阻阻值通过丝印编码标识，不同精度对应不同编码体系。

1.2.1 5%精度，E-24系列

E-24 系列电阻用3位数字或代码表示，如图1所示。

E-24 表示的数字对应关系为10^n/24，其中n值为0~23，故 E-24系列电阻对应系数如表2所示：

E-24 贴片电阻阻值的表示方式：
a) 大于10欧姆的电阻：XYZ，其中XY为E-24系列的系数，Z代表对应的指数部分，电阻 值表示为XY∗10^Z。如图1所示的电阻带有103字样，XY为10，Z为3，故电阻阻值为10∗10³= 10kΩ。
b) 小于10欧姆的电阻：XRY，其中用R来代表小数点，如5R1表示5.1Ω。

1.2.2 1%精度，E-96系列

E-96 系列电阻用4位数字或代码表示，精度更高、阻值更密集，如图2所示。

E-96 表示的数字对应关系为10^n/96，其中n值为0~95，E-96系列电阻对应系数表详见附录5.1， 工程中直接对照厂商丝印手册更高效。

E-96 贴片电阻阻值的表示方式：
a) 大于10欧姆的电阻：WXYZ，其中WXY为E-96系列的系数，Z代表对应的指数部分，电 阻值表示为WXY∗10^Z。如图2所示的电阻带有1822字样，WXY为182，Z为2，电阻阻值为182∗ 10² = 18.2kΩ。
b) 小于10欧姆的电阻：XRY，其中用R来代表小数点，如5R10表示5.1Ω。
c) E-96 还有一种Multiplier Code标注法，其 Code与E-96系列系数对应关系详见附录5.2。如 图2所示的电阻带有01C字样，其中01对应E-96系列系数为100，C对应10^2，故电阻阻值为 100∗10² = 10kΩ。

1.3 额定功率、额定电压和功率降额

1.3.1 静态额定值：功率与电压

电阻的选型除了电阻阻值以外，额定功率与额定电压是尤为重要的关键指标，是电阻的封装选型的重要判断依据。常见贴片电阻的额定功率，额定电压与贴片电阻封装的对应关系如表3所示。

1.3.2 温度降额曲线

规格书上标称的额定功率仅适用于小等于70℃环境；70℃至T_max之间线性降额至0。工程上按II区降额标准执行，稳态功率降额系数0.6，即实际功耗≤0.6×P_r（T<T_s时），高于T_s时进一步线性衰减。电阻II区应用的降额标准如表4所示。

其中，U_r为额定最高工作电压，U_m为峰值脉冲电压，P_r为厂家给定在温度低于T_s时的额定功率，T_s为厂家给定额定工作温度，T_max为标称最大工作温度，t₁为脉冲宽度，P_m为脉宽t₁下能支持的最大单次脉冲功率，(t₁+t₂)为脉冲周期。最终II区降额后的电阻功率曲线如图3所示。

1.3.3 脉冲功率场景

电阻除了直流工作情况外，对于 RC 吸收电路，启动保护电路等应用场景，均涉及到电阻的瞬 时大功率工作的情况。针对此场景一般电阻厂商会提供单脉冲峰值功率曲线（不同厂商之间存在一 定差异，以各厂商提供的曲线为准），如图4所示。

该曲线代表电阻在不同脉宽（时间长度t₁）下能支持的最大单次脉冲功率P_m，其中脉宽是以矩形波为标准，如图5所示。

实际应用时电阻的功率与时间的关系多种多样，故需要对不同的应用场景进行脉宽的等效拟合。例如，RC放电波形的等效矩形脉冲宽度T=τ/2，其中τ=RC为该电路的时间常数；三角波的等效矩形脉冲宽度T=t/3，其中t为三角波的持续时间；半正弦波的等效矩形脉冲宽度T=t/2，其中t为半正弦波的持续时间；阻尼震荡波形的等效矩形脉冲宽度T=τ/4，其中τ为时间常数。

对于多脉冲的功率场景，其降额功率需要通过最大单次脉冲功率P_m，功率脉宽（时间长度t₁），以及通断比t₂/t₁进行评估，t₁与t₂的定义如图6所示。

脉冲功率分为单脉冲和多脉冲两种场景。单脉冲直接查厂商的P_m(t₁)曲线即可；多脉冲因热累积效应，需按以下三种场景降额评估：
1) t₂ >100us且 t₂/t₁ > 200：脉冲间隔足够长，热完全散尽，等效于单脉冲，按≤0.7×P_m(t₁) 执行。
2) t₂ >100us且 t₂/t₁ ≤ 200：热积累不可忽略，按照≤0.01×Pm(t₁)×(t₂/t₁)^0.85的标准进 行降额。
3) t₂ ≤100us：脉宽极短，P_m需以等效脉宽t₁ =100us×(t₁/t₂)为基准重新查曲线，再代入公 式≤0.01×P_m(t₁)×(t₂/t₁)^0.85的标准进行降额。