电阻 – 那些你不知道的细节

今天从YAGEO的RC系列电阻说起,讨论一下你和高级硬件工程师的一步之遥。

新入行的硬件工程师往往对电子元器件的参数知之甚少,有些即便能罗列出一些来,也只是死记硬背出来,对其因果由来都是一知半解。

接下来我们从一个料号说起,具体谈一谈小小的一个表贴电阻,到底有哪些我们设计中需要的知识,有哪些我们从来不关心又非常重要的参数。

国巨电阻:RC0402JR-07100KL

【RC0402JR-07100KL 】 这是一个国巨品牌的RC系列中的100K的电阻,我的这个简单的中文描述中涉及了三个知识点:电阻的品牌电阻的系列电阻的阻值

是不是大部分新入行的电工都只关注了电阻的阻值,因为这是原理设计中相对来说最关键的一个参数。我们在设计中经常信手拈来的电阻选型首先考虑的就是阻值。

电阻 - 那些你不知道的细节

大家都知道,这种阻值不是可以随意选择的,比如我想使用一个212K的电阻,对不起,这样的电阻是没有厂家生产的,即使有也是非常小众的,工程师选择的时候也许利于计算,方便了很多,但是等到真正批量生产的时候就会饱受供货差,高成本之痛。

那么我们平时选择电阻,诸如1K,22K,47K,68K这样的阻值是怎么定义的呢?

常用电阻值的起源

这就不得不提到IEC技术委员

1948年IEC第12技术委员会(无线电通讯)在斯德哥尔摩会议讨论过程中,一致同意国际标准化最紧迫的课题之一就是电阻器和0.1uF以下电容器的优先数系列。尽管想使这些系列按照10√10数系标准化,但在若干国家内由于上述元件针对5√10、10√10和20√10允许偏差进行标准化已经采用了12√10数系,而在采用了12√10数系的这些国家中要改变商业惯例是不切合实际的。虽然采用10√10数系更符合ISO的惯例,但考虑到现实情况委员会只能对不得不推荐12√10数系表示遗憾。而优先数E6、E12和E24系列提案是1950年在巴黎会议上被接受的,随后发布了IEC 63号标准(第一版)。

E系列是一种由几何级数构成的数列。E系列首先在英国的电工工业中应用,故采用Electricity的第一个字母E标志这一系列,它是以6√10(10开6次方) 、 12√10 、24√10、48√10、96√10 、192√10为公比的几何级数,分别称为E6系列、E12系列、E24系列、E48系列、E96系列、E192系列

电阻 - 那些你不知道的细节

我们现在常规的贴片电阻阻值采用E24,E96系列。

系列和相应的阻值换算关系,我们用E6来举例:

电阻 - 那些你不知道的细节

所以我们常常选用的阻值并不是没有规律的,他是按照上面的公式计算出来的近似值,说起来也是一个标准化史上的一个历史包袱。

讲完了这个阻值,我们在聊一聊另外两个不起眼的参数,品牌系列

电阻的品牌和质量

就目前来讲,研发和制造电阻的厂家非常多,但国巨绝对是占据了电阻市场的半边天,其他的还有ROHM,Viking,厚生,广东风华,华新科技在小尺寸市场做的也不错。

而国巨的RC系列是指的一般厚膜电阻,国巨对于电阻的研发进行了很多细分市场,比如汽车专用车规电阻,薄膜电阻,还有专门的高耐压的陶瓷电阻,金属氧化物电阻,一般消费类电子最常选用的都是这个RC系列。

讲到这里跟他家讲一个我的研发经历,曾经一个产品上选择一颗0805封装的电阻用于对输入信号做限流处理,输入信号是通过一个塑料端子利用线束引入的,需要在组装的时候进行接插件的对插。

开始我们量产的非常顺利,几乎没有不良,后来由于市场行情,我们将电阻的品牌从国巨切换到Viking,奇怪的事情发生了,

每一批都会有几个板子的电阻失效,失效模式为阻值变大,后来经过大量的实验验证,确认了是由于接插件在接插的过程中导致PCB变形,引起电阻应力失效,而从此中看来,国巨的电阻在可靠性方面确实更胜一筹。

电阻 - 那些你不知道的细节

就如上图中,如果分板受力,则 1 号器件最容易应力形变而失效。

虽然说本身确实是设计问题,但也不难看出,在元器件的选择上也是要关注品牌,每个公司有每个公司自己的体系标准,生产出的东西标称参数也许一样,但出厂检验标准,生产制程管控是不完全相同的。

相同的问题也会发生在二极管,mos管上,大家可以先点击关注,我会在后面的文章中分享失败案例 。

OK,我们讨论到这里肯定不是结束,其实才刚刚开始,因为电阻还有很多重要的参数我们没有聊呢。

电阻的精度

电阻另一个很重的参数是精度,常用的精度分为两种,5%和1%,我们在设计电路过程中,尤其是针对模数转换的电路,或者模拟运放等电路中,常常需要选择1%精度的电阻,而对于上下拉电阻,限流电阻等要求不高的场景可以使用5%的精度。

在设计中我们往往会认为5%的电阻肯定便宜,1%的会贵很多,所以在选择的时候倾向于选择5%的多一些,其实这个是分情况的,如果是在大批量生产过程中,从生产可制造性的角度看选择相同参数的任何一个都是有利的,在整个生产制造环节,减少物料种类,提高单一物料用量才是最经济的。

电阻的温漂

温漂也是在精密的模拟电路中常常被关注的。

电子产品的设计往往需要考虑产品的工作环境,我们设计的产品既要能在零下10度正常工作,也要能在50度的高温环境正常工作,这里就需要工程师考虑各种器件的温漂情况,考虑自己的设计冗余,是否禁得住考验。

温漂对于电阻来说主要是衡量其阻值的温度漂移,尤其在一些小信号放大的处理中,要权衡是选用更好的温漂性能的电阻,还是改善电路设计来避免环路收到参数漂移的影响。

除了电阻,这方面最值得关注的就是三极管了,这块会在单独章节来阐述,记得关注哦。

电阻的封装对应的功率和耐压问题

接下来我们再来看一下RC0402中的封装信息 – 0402。

入圈几年的工程师应该都有所了解,目前的制造工艺其实是往小型化发展,电阻也不例外。

早在2018年电子元器件缺货时就显现出来,很多大厂都放出消息,不在生产大封装的器件,国巨也对大尺寸的封装接连涨价,毕竟对于通用型号肯定是尺寸越小成本越低,对于厂家来说利润就越足。这一点在MLCC市场表现得更为严峻。

那一时段几乎大厂们联合起来一样,不是缺货就是涨价,说是为了整个行业小型化推进进行的措施,不过现在看来似乎也没有太多的改变。毕竟今年缺的是芯片,电阻今年更多的是看热闹。

电阻不同的封装形式会对应不同的功率。

没错,功率也是电阻的一个非常重要的参数,部分工程师对电阻功率的关注并不够,在设计的时候一味的小型化,最后导致产品各种烧毁和失效。

小型化同时对于加工,PCB的CAF,以及耐压和爬电距离提出更多挑战,后期文章深入讲解 。

电阻 - 那些你不知道的细节

从国巨的规格书中的截图(如上所示)看,不同封装大小的电阻对应的功率是不同的,甚至于相同封装的电阻也会表现出不同的功率,这是因为有些电阻系列做了功率提升,可以耐受更高的功率。

聊到这里不得不提一下电阻的耐压问题,因为这个耐压实际上和功率是有一定关系的。

很多工程师对于电阻的耐压很诧异,电阻的原理就是对电流起到一定的阻碍作用,为什么会有耐压一说的?

没错,电阻是有耐压的,首先可以根据datasheet中描述的,电阻耐压跟封装的基本关系是:

电阻 - 那些你不知道的细节

但是只关注这个关系还远远不够,因为在规格书中对于耐压的计算公式还有如下规定

电阻 - 那些你不知道的细节

V = √(P * R),假设我们设计中确定了封装,那么电阻的耐压值就和阻值相关了,这个时候要尤其关注电阻的耐压参数。

比如我们设计一个信号的前级滤波电路,选择了0402的1/16W的电阻,如果我们的阻值为10K,那么我们最高能加在电阻两端的电压为:√(10K* 1/16W)= 25V。

如果我们在电阻两端加电压25V,其实算下来也说明功率已经达到标称功率值了,这个时候的耐压值并不是0402对应的50V耐压值。

好了,说了很多,最后还想说一下datasheet中提到的电阻的耐流值,从而引申出0R电阻。

电阻 - 那些你不知道的细节

规格书中没有提及0R电阻,标注参数都是从1Ω开始的,其实对于0R电阻,数据手册中是采用Jumper来描述的,因为0R电阻更多时候的确像个跳线一样。

0R电阻的真实阻值一般会设计在20mR或者50mR,他们所能流过的电流也相应的根据阻值和功率计算出来。关于0R电阻的用法我也会在后面的文章中继续阐述。

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