電路設(shè)計(jì)中電阻的選擇及其作用

    摘 要：

    電阻在電子產(chǎn)品中是最常用的器件之一，基本上只要是電子產(chǎn)品，內(nèi)部就會(huì)存在電阻。電阻可以在電路中用作分壓器、分流器和負(fù)載電阻；它與電容器—起可以組成濾波器及延時(shí)電路；在電源電路或控制電路中用作取樣電阻；在半導(dǎo)體管電路中用作偏置電阻確定工作點(diǎn)；使用特殊性質(zhì)的電阻如壓敏電阻、熱敏電阻實(shí)現(xiàn)防浪涌電壓、抑制沖擊電流，實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)等等。電阻是最普通的器件，同時(shí)也是電路中不可或缺的器件，選好用好電阻對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行及使用可靠性是至關(guān)重要的。

    0 引言：

    電阻的種類很多，普通常用的電阻有碳膜電阻、水泥電阻、金屬膜電阻和線繞電阻等；特殊電阻有壓敏電阻、熱敏電阻、光敏電阻等。不同類型電阻其特性參數(shù)都有一定的差異，在電路使用時(shí)需要考慮的點(diǎn)也不一樣。對(duì)于剛接觸電路設(shè)計(jì)的工程師來(lái)說(shuō)很可能會(huì)忽略電阻的某些特殊的參數(shù)，導(dǎo)致產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性得不到保證。正確的理解電阻各個(gè)參數(shù)及選型的注意事項(xiàng)，且全面的理解電阻在電路中起到的真正作用，才能夠從底層最基本的電路設(shè)計(jì)上保證產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)性。

    1 電阻的基本參數(shù)：

    新接觸硬件電路設(shè)計(jì)的工程師，可能對(duì)電阻的第一印象就是物理書(shū)上描述的導(dǎo)電體對(duì)電流的阻礙作用稱為電阻，用符號(hào)R表示，單位為歐姆、千歐、兆歐，分別用Ω、KΩ、MΩ表示。主要關(guān)注的參數(shù)為1）、標(biāo)稱阻值：電阻器上面所標(biāo)示的阻值；2）、允許誤差：標(biāo)稱阻值與實(shí)際阻值的差值跟標(biāo)稱阻值之比的百分?jǐn)?shù)稱阻值偏差，它表示電阻器的精度。而在電路的設(shè)計(jì)上，只關(guān)注這兩個(gè)參數(shù)是不夠的，還有兩個(gè)重要的參數(shù)必須要在設(shè)計(jì)當(dāng)中引起重視：額定功率和耐受電壓值，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性影響非常大。

    如電路中流過(guò)電阻的電流為100mA，阻值為100Ω，那么在電阻上的功率消耗為1W，選擇常用的貼片電阻，如封裝為0805或1206等是不合適的，會(huì)因電阻額定功率小而出現(xiàn)問(wèn)題。因此，選擇電阻的額定功率要滿足在1W以上（電路設(shè)計(jì)選擇電阻的功率余量一般在2倍以上），否則電阻上消耗的功率會(huì)使電阻過(guò)熱而失效。

    同樣，耐壓值選擇不合適的情況下，也會(huì)因?yàn)殡娮璞粨舸┒鴮?dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)的失敗。舉個(gè)例子：AC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊在設(shè)計(jì)的輸入前端，根據(jù)安規(guī)GB4943.1標(biāo)準(zhǔn)的要求，在保證插頭或連接器斷開(kāi)后，在輸入端L、N上的滯留電壓在1S之內(nèi)衰減到初始值的37%，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)采用并接一個(gè)或兩個(gè)MΩ級(jí)阻抗的電阻進(jìn)行能量泄放，而輸入端是高壓，即電阻兩端是要承受高壓的，當(dāng)電阻的耐壓值低壓輸入端高壓的情況下，就會(huì)產(chǎn)生失效。以下表一是常見(jiàn)SMT厚膜電阻的參數(shù)，最終選型時(shí)還要和選購(gòu)器件的廠家核實(shí)。

    2電阻在電路中的作用：

    2.1基本作用：

    電子工程師都學(xué)習(xí)過(guò)電阻的基本作用，即在電路中用作分壓器、分流器和負(fù)載電阻；它與電容器—起可以組成濾波器及延時(shí)電路、在電源電路或控制電路中用作取樣電阻；在半導(dǎo)體管電路中用作偏置電阻確定工作點(diǎn)等，對(duì)于這些作用，電路中應(yīng)用是非常多的，也是非常重要，就不做過(guò)多的描述。下面主要給大家介紹0Ω電阻及特殊電阻在電子電路設(shè)計(jì)中的作用及使用注意事項(xiàng)。

    2.2 0歐姆電阻在電路上的作用：

    相信有很多新電工，在看一些前輩設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品時(shí)會(huì)經(jīng)常看到電路上存在0Ω的電阻，為什么要設(shè)計(jì)這么一個(gè)電阻呢，直接畫(huà)板連一塊不就好了，還畫(huà)蛇添足干嘛？通過(guò)對(duì)資料搜索和整理，要點(diǎn)如下：

    1) 模擬地和數(shù)字地單點(diǎn)接地


　　只要是地，最終都要接到一起，然后入大地。如果不接在一起就是"浮地"，存在壓差，容易積累電荷，造成靜電。地是參考0電位，所有電壓都是參考地得出的，地的標(biāo)準(zhǔn)要一致，故各種地應(yīng)短接在一起。人們認(rèn)為大地能夠吸收所有電荷，始終維持穩(wěn)定，是最終的地參考點(diǎn)。雖然有些板子沒(méi)有接大地，但發(fā)電廠是接大地的，板子上的電源最終還是會(huì)返回發(fā)電廠入地。如果把模擬地和數(shù)字地大面積直接相連，會(huì)導(dǎo)致互相干擾。不短接又不妥，有四種方法解決此問(wèn)題：1、用磁珠連接；2、用電容連接；3、用電感連接；4、用0歐姆電阻連接。

    磁珠的等效電路相當(dāng)于帶阻限波器，只對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)的噪聲有顯著抑制作用，使用時(shí)需要預(yù)先估計(jì)噪點(diǎn)頻率，以便選用適當(dāng)型號(hào)。對(duì)于頻率不確定或無(wú)法預(yù)知的情況，磁珠不合；電容隔直通交，造成浮地；電感體積大，雜散參數(shù)多，不穩(wěn)定；0歐電阻相當(dāng)于很窄的電流通路，能夠有效地限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用(0歐電阻也有阻抗)，這點(diǎn)比磁珠強(qiáng)。

    2) 跨接時(shí)用于電流回路

    當(dāng)分割電地平面后，造成信號(hào)最短回流路徑斷裂，此時(shí)，信號(hào)回路不得不繞道，形成很大的環(huán)路面積，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響就變強(qiáng)了，容易干擾/被干擾。在分割區(qū)上跨接0歐電阻，可以提供較短的回流路徑，減小干擾。

    3) 配置電路

    一般，產(chǎn)品上不要出現(xiàn)跳線和撥碼開(kāi)關(guān)。有時(shí)用戶會(huì)亂動(dòng)設(shè)置，易引起誤會(huì)，為了減少維護(hù)費(fèi)用，應(yīng)用0歐電阻代替跳線等焊在板子上。空置跳線在高頻時(shí)相當(dāng)于天線，用貼片電阻效果好。

    4) 其他用途

    布線時(shí)跨線調(diào)試/測(cè)試用：在開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，要串一個(gè)電阻用來(lái)調(diào)試，但是還不能確定具體的值，加了這么一個(gè)器件后方便以后電路的調(diào)試，如果調(diào)試的結(jié)果不需要加電阻，就加一個(gè)0歐姆的電阻。臨時(shí)取代其他貼片器件作為溫度補(bǔ)償器件 ，更多時(shí)候是出于EMC對(duì)策的需要。另外，0歐姆電阻比過(guò)孔的寄生電感小，而且過(guò)孔還會(huì)影響地平面（因?yàn)橐�挖孔）�?

    總結(jié)如下：

    1、在電路中沒(méi)有任何功能，只是在PCB上為了調(diào)試方便或兼容設(shè)計(jì)等原因。

    2、可以做跳線用，如果某段線路不用，直接貼該電阻即可（不影響外觀）

    3、在匹配電路參數(shù)不確定的時(shí)候，以0歐姆代替，實(shí)際調(diào)試的時(shí)候，確定參數(shù)，再以具體數(shù)值的元件代替。

    4、想測(cè)某部分電路的耗電流的時(shí)候，可以去掉0歐的電阻，接上電流表，這樣方便測(cè)耗電流。

    5、在布線時(shí),如果實(shí)在布不過(guò)去了,也可以加一個(gè)0歐的電阻。

    6、在高頻信號(hào)下，充當(dāng)電感或電容（與外部電路特性有關(guān)）用，主要是解決EMC問(wèn)題。如地與地，電源和IC Pin間。

    7、單點(diǎn)接地（指保護(hù)接地、工作接地、直流接地在設(shè)備上相互分開(kāi),各自成為獨(dú)立系統(tǒng)）。

    2.3 特殊電阻在電源模塊外圍防護(hù)電路的作用

    最常見(jiàn)的特殊電阻有壓敏電阻和熱敏電阻，這個(gè)在AC-DC開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)和應(yīng)用中起著關(guān)鍵的作用，了解下這兩種電阻的特性和具體的作用：

    壓敏電阻MOV是在電路電磁兼容EMC中最常用的器件之一，廣泛的被應(yīng)用在電子線路中，來(lái)防護(hù)因?yàn)殡娏�供�?yīng)系統(tǒng)的瞬時(shí)電壓突變所可能對(duì)電路的傷害。其特性通俗理解為前端電壓高于壓敏電阻的開(kāi)啟電壓時(shí)，壓敏電阻被擊穿，壓敏電阻的阻值降低而將電流予以分流，防止后級(jí)受到過(guò)大的瞬時(shí)電壓破壞或干擾，從而保護(hù)了敏感的電子組件。電路防護(hù)就是利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。壓敏電阻的主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。

    不過(guò)，不要把壓敏電阻的作用想的太大了，壓敏電阻是不可以提供完整的電壓保護(hù)的，壓敏電阻所能承受的能量或功率是有限的，不能提供持續(xù)性的過(guò)電壓保護(hù)。持續(xù)的過(guò)電壓會(huì)破壞保護(hù)裝置(壓敏電阻)，并對(duì)設(shè)備造成損害。壓敏電阻不能提供保護(hù)的部分還有: 開(kāi)機(jī)時(shí)的沖擊電流、短路時(shí)的過(guò)電流、電壓突降等情況，這些情況需要其他方式的防護(hù)。

    熱敏電阻是一種跟溫度相關(guān)的器件，一般分為兩種，NTC為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，即溫度越高，阻抗越小；PTC為正溫度系數(shù)熱敏電阻即溫度越高，阻抗越大。利用阻抗對(duì)溫度的敏感特性在電路設(shè)計(jì)中起到了重要的作用。

    NTC在電路中主要為抑制電路啟動(dòng)過(guò)程中的啟動(dòng)電流，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中，由于系統(tǒng)內(nèi)部存在功率電路、容性及感性負(fù)載，因此在啟動(dòng)瞬間會(huì)出現(xiàn)非常大的沖擊電流。如果電路器件選型過(guò)程中沒(méi)有考慮器件瞬時(shí)的抗電流能力，那么系統(tǒng)在多次啟動(dòng)的操作過(guò)程中，就很容易導(dǎo)致器件被擊穿損壞，而在電路中加入NTC，等于在輸入回路啟動(dòng)時(shí)提高輸入阻抗減少?zèng)_擊電流，而系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，由于NTC發(fā)熱，根據(jù)其負(fù)溫度特性，阻抗降低，從而在NTC上的損耗也降低，減少了系統(tǒng)的整體損耗。

    PTC在電路中可以起到保險(xiǎn)絲的作用，所以其還有另一個(gè)名字為自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，電路出現(xiàn)異常，導(dǎo)致出現(xiàn)大電流時(shí)，如果該部分電路中串有一個(gè)PTC，那么也就等于在PTC中存在有大電流流過(guò)，PTC發(fā)熱，根據(jù)其正溫度特性，其阻抗將變得很大，使整個(gè)回路的阻抗變大，從而使回路的電流變小，起到了保險(xiǎn)絲的作用。根據(jù)其正溫度的特性，PTC的另一個(gè)作用是在電路中實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)。

    3結(jié)語(yǔ)：

    電阻的知識(shí)涵蓋非常多，不僅僅是知道歐姆定律后就能應(yīng)用好，其中還包括了材質(zhì)及其特殊性能，如電阻元件的電阻值大小一般與溫度，材料，長(zhǎng)度，還有橫截面積有關(guān)，衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度系數(shù)，其定義為溫度每升高1℃時(shí)電阻值發(fā)生變化的百分?jǐn)?shù)；電阻的主要物理特征是變電能為熱能，也可說(shuō)它是一個(gè)耗能元件，電流經(jīng)過(guò)它就產(chǎn)生損耗，以熱能的形式表現(xiàn)；電阻在電路中通常起分壓、分流的作用；對(duì)信號(hào)來(lái)說(shuō)，交流與直流信號(hào)都可以通過(guò)電阻等。作為硬件工程師，想要把元器件用的得心應(yīng)手，就需要通過(guò)對(duì)其材質(zhì)，電氣特性和其特殊性做深入的了解。

    原文鏈接：http://www.mornsun.cn/news/NewDetail.aspx?id=287&channelid=132<