電路設(shè)計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)過溫保護(hù)等等。電阻是最普通的器件，同時也是電路中不可或缺的器件，選好用好電阻對產(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，在電路使用時需要考慮的點(diǎn)也不一樣。對于剛接觸電路設(shè)計的工程師來說很可能會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)計的工程師，可能對電阻的第一印象就是物理書上描述的導(dǎo)電體對電流的阻礙作用稱為電阻，用符號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)計上，只關(guān)注這兩個參數(shù)是不夠的，還有兩個重要的參數(shù)必須要在設(shè)計當(dāng)中引起重視：額定功率和耐受電壓值，這兩個參數(shù)對整個系統(tǒng)的可靠性影響非常大。

    如電路中流過電阻的電流為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，會因電阻額定功率小而出現(xiàn)問題。因此，選擇電阻的額定功率要滿足在1W以上（電路設(shè)計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使電阻過熱而失效。

    同樣，耐壓值選擇不合適的情況下，也會因?yàn)殡娮璞粨舸┒鴮?dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計的失敗。舉個例子：AC-DC開關(guān)電源模塊在設(shè)計的輸入前端，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)計時一般會采用并接一個或兩個MΩ級阻抗的電阻進(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，就會產(chǎn)生失效。以下表一是常見SMT厚膜電阻的參數(shù)，最終選型時還要和選購器件的廠家核實(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)計的電子產(chǎn)品時會經(jīng)常看到電路上存在0Ω的電阻，為什么要設(shè)計這么一個電阻呢，直接畫板連一塊不就好了，還畫蛇添足干嘛？通過對資料搜索和整理，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，會導(dǎo)致互相干擾。不短接又不妥，有四種方法解決此問題：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，只對某個頻點(diǎn)的噪聲有顯著抑制作用，使用時需要預(yù)先估計噪點(diǎn)頻率，以便選用適當(dāng)型號。對于頻率不確定或無法預(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) 跨接時用于電流回路

    當(dāng)分割電地平面后，造成信號最短回流路徑斷裂，此時，信號回路不得不繞道，形成很大的環(huán)路面積，電場和磁場的影響就變強(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)跳線和撥碼開關(guān)。有時用戶會亂動設(shè)置，易引起誤會，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。空置跳線在高頻時相當(dāng)于天線，用貼片電阻效果好。

    4) 其他用途

    布線時跨線調(diào)試/測試用：在開始設(shè)計時，要串一個電阻用來調(diào)試，但是還不能確定具體的值，加了這么一個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0歐姆的電阻。臨時取代其他貼片器件作為溫度補(bǔ)償器件 ，更多時候是出于EMC對策的需要。另外，0歐姆電阻比過孔的寄生電感小，而且過孔還會影響地平面（因?yàn)橐�挖孔）�?

    總結(jié)如下：

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

    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)不確定的時候，以0歐姆代替，實(shí)際調(diào)試的時候，確定參數(shù)，再以具體數(shù)值的元件代替。

    4、想測某部分電路的耗電流的時候，可以去掉0歐的電阻，接上電流表，這樣方便測耗電流。

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

    6、在高頻信號下，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,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

    最常見的特殊電阻有壓敏電阻和熱敏電阻，這個在AC-DC開關(guān)電源設(shè)計和應(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，來防護(hù)因?yàn)殡娏�供�?yīng)系統(tǒng)的瞬時電壓突變所可能對電路的傷害。其特性通俗理解為前端電壓高于壓敏電阻的開啟電壓時，壓敏電阻被擊穿，壓敏電阻的阻值降低而將電流予以分流，防止后級受到過大的瞬時電壓破壞或干擾，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相對固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對后級電路的保護(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)時間等。

    不過，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)性的過電壓保護(hù)。持續(xù)的過電壓會破壞保護(hù)裝置(壓敏電阻)，并對設(shè)備造成損害。壓敏電阻不能提供保護(hù)的部分還有: 開機(jī)時的沖擊電流、短路時的過電流、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。利用阻抗對溫度的敏感特性在電路設(shè)計中起到了重要的作用。

    NTC在電路中主要為抑制電路啟動過程中的啟動電流，當(dāng)系統(tǒng)啟動過程中，由于系統(tǒng)內(nèi)部存在功率電路、容性及感性負(fù)載，因此在啟動瞬間會出現(xiàn)非常大的沖擊電流。如果電路器件選型過程中沒有考慮器件瞬時的抗電流能力，那么系統(tǒng)在多次啟動的操作過程中，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時提高輸入阻抗減少沖擊電流，而系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，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絲的作用，所以其還有另一個名字為自恢復(fù)保險絲。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電路出現(xiàn)異常，導(dǎo)致出現(xiàn)大電流時，如果該部分電路中串有一個PTC，那么也就等于在PTC中存在有大電流流過，PTC發(fā)熱，根據(jù)其正溫度特性，其阻抗將變得很大，使整個回路的阻抗變大，從而使回路的電流變小，起到了保險絲的作用。根據(jù)其正溫度的特性，PTC的另一個作用是在電路中實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)。

    3結(jié)語：

    電阻的知識涵蓋非常多，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，也可說它是一個耗能元件，電流經(jīng)過它就產(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；對信號來說，交流與直流信號都可以通過電阻等。作為硬件工程師，想要把元器件用的得心應(yīng)手，就需要通過對其材質(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<