电路设计中电阻的选择及其作用

    摘 要：

    电阻在电子产品中是最常用的器件之一，基本上只要是电子产品，内部就会存在电阻。电阻可以在电路中用作分压器、分流器和负载电阻；它与电容器—起可以组成滤波器及延时电路；在电源电路或控制电路中用作取样电阻；在半导体管电路中用作偏置电阻确定工作点；使用特殊性质的电阻如压敏电阻、热敏电阻实现防浪涌电压、抑制冲击电流，实现过温保护等等。电阻是最普通的器件，同时也是电路中不可或缺的器件，选好用好电阻对产品的稳定运行及使用可靠性是至关重要的。

    0引言：

    电阻的种类很多，普通常用的电阻有碳膜电阻、水泥电阻、金属膜电阻和线绕电阻等；特殊电阻有压敏电阻、热敏电阻、光敏电阻等。不同类型电阻其特性参数都有一定的差异，在电路使用时需要考虑的点也不一样。对于刚接触电路设计的工程师来说很可能会忽略电阻的某些特殊的参数，导致产品的稳定性和可靠性得不到保证。正确的理解电阻各个参数及选型的注意事项，且全面的理解电阻在电路中起到的真正作用，才能够从底层最基本的电路设计上保证产品的优质性。

    1电阻的基本参数：

    新接触硬件电路设计的工程师，可能对电阻的第一印象就是物理书上描述的导电体对电流的阻碍作用称为电阻，用符号R表示，单位为欧姆、千欧、兆欧，分别用Ω、KΩ、MΩ表示。主要关注的参数为1）、标称阻值：电阻器上面所标示的阻值；2）、允许误差：标称阻值与实际阻值的差值跟标称阻值之比的百分数称阻值偏差，它表示电阻器的精度。而在电路的设计上，只关注这两个参数是不够的，还有两个重要的参数必须要在设计当中引起重视：额定功率和耐受电压值，这两个参数对整个系统的可靠性影响非常大。

    如电路中流过电阻的电流为100mA，阻值为100Ω，那么在电阻上的功率消耗为1W，选择常用的贴片电阻，如封装为0805或1206等是不合适的，会因电阻额定功率小而出现问题。因此，选择电阻的额定功率要满足在1W以上（电路设计选择电阻的功率余量一般在2倍以上），否则电阻上消耗的功率会使电阻过热而失效。

    同样，耐压值选择不合适的情况下，也会因为电阻被击穿而导致系统设计的失败。举个例子：AC-DC开关电源模块在设计的输入前端，根据安规GB4943.1标准的要求，在保证插头或连接器断开后，在输入端L、N上的滞留电压在1S之内衰减到初始值的37%，因此，在设计时一般会采用并接一个或两个MΩ级阻抗的电阻进行能量泄放，而输入端是高压，即电阻两端是要承受高压的，当电阻的耐压值低压输入端高压的情况下，就会产生失效。以下表一是常见SMT厚膜电阻的参数，最终选型时还要和选购器件的厂家核实。

表一 常用SMT厚膜电阻

    注：只做参考，以最终选择的厂家说明为准

    2电阻在电路中的作用：

    2.1基本作用：

    电子工程师都学习过电阻的基本作用，即在电路中用作分压器、分流器和负载电阻；它与电容器—起可以组成滤波器及延时电路、在电源电路或控制电路中用作取样电阻；在半导体管电路中用作偏置电阻确定工作点等，对于这些作用，电路中应用是非常多的，也是非常重要，就不做过多的描述。下面主要给大家介绍0Ω电阻及特殊电阻在电子电路设计中的作用及使用注意事项。

    2.2 0欧姆电阻在电路上的作用：

    相信有很多新电工，在看一些前辈设计的电子产品时会经常看到电路上存在0Ω的电阻，为什么要设计这么一个电阻呢，直接画板连一块不就好了，还画蛇添足干嘛？通过对资料搜索和整理，要点如下：

    1) 模拟地和数字地单点接地

    只要是地，最终都要接到一起，然后入大地。如果不接在一起就是"浮地"，存在压差，容易积累电荷，造成静电。地是参考0电位，所有电压都是参考地得出的，地的标准要一致，故各种地应短接在一起。人们认为大地能够吸收所有电荷，始终维持稳定，是最终的地参考点。虽然有些板子没有接大地，但发电厂是接大地的，板子上的电源最终还是会返回发电厂入地。如果把模拟地和数字地大面积直接相连，会导致互相干扰。不短接又不妥，有四种方法解决此问题：1、用磁珠连接；2、用电容连接；3、用电感连接；4、用0欧姆电阻连接。

    磁珠的等效电路相当于带阻限波器，只对某个频点的噪声有显著抑制作用，使用时需要预先估计噪点频率，以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况，磁珠不合；电容隔直通交，造成浮地；电感体积大，杂散参数多，不稳定；0欧电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧电阻也有阻抗)，这点比磁珠强。

    2) 跨接时用于电流回路

    当分割电地平面后，造成信号最短回流路径断裂，此时，信号回路不得不绕道，形成很大的环路面积，电场和磁场的影响就变强了，容易干扰/被干扰。在分割区上跨接0欧电阻，可以提供较短的回流路径，减小干扰。

    3) 配置电路

    一般，产品上不要出现跳线和拨码开关。有时用户会乱动设置，易引起误会，为了减少维护费用，应用0欧电阻代替跳线等焊在板子上。空置跳线在高频时相当于天线，用贴片电阻效果好。

    4) 其他用途

    布线时跨线调试/测试用：在开始设计时，要串一个电阻用来调试，但是还不能确定具体的值，加了这么一个器件后方便以后电路的调试，如果调试的结果不需要加电阻，就加一个0欧姆的电阻。临时取代其他贴片器件作为温度补偿器件 ，更多时候是出于EMC对策的需要。另外，0欧姆电阻比过孔的寄生电感小，而且过孔还会影响地平面（因为要挖孔）。总结如下：

    1、在电路中没有任何功能，只是在PCB上为了调试方便或兼容设计等原因。

    2、可以做跳线用，如果某段线路不用，直接贴该电阻即可（不影响外观）

    3、在匹配电路参数不确定的时候，以0欧姆代替，实际调试的时候，确定参数，再以具体数值的元件代替。

    4、想测某部分电路的耗电流的时候，可以去掉0欧的电阻，接上电流表，这样方便测耗电流。

    5、在布线时,如果实在布不过去了,也可以加一个0欧的电阻。

    6、在高频信号下，充当电感或电容（与外部电路特性有关）用，主要是解决EMC问题。如地与地，电源和IC Pin间。

    7、单点接地（指保护接地、工作接地、直流接地在设备上相互分开,各自成为独立系统）。

    2.3 特殊电阻在电源模块外围防护电路的作用

    最常见的特殊电阻有压敏电阻和热敏电阻，这个在AC-DC开关电源设计和应用中起着关键的作用，了解下这两种电阻的特性和具体的作用：

    压敏电阻MOV是在电路电磁兼容EMC中最常用的器件之一，广泛的被应用在电子线路中，来防护因为电力供应系统的瞬时电压突变所可能对电路的伤害。其特性通俗理解为前端电压高于压敏电阻的开启电压时，压敏电阻被击穿，压敏电阻的阻值降低而将电流予以分流，防止后级受到过大的瞬时电压破坏或干扰，从而保护了敏感的电子组件。电路防护就是利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。

    不过，不要把压敏电阻的作用想的太大了，压敏电阻是不可以提供完整的电压保护的，压敏电阻所能承受的能量或功率是有限的，不能提供持续性的过电压保护。持续的过电压会破坏保护装置(压敏电阻)，并对设备造成损害。压敏电阻不能提供保护的部分还有: 开机时的冲击电流、短路时的过电流、电压突降等情况，这些情况需要其他方式的防护。

    热敏电阻是一种跟温度相关的器件，一般分为两种，NTC为负温度系数热敏电阻，即温度越高，阻抗越小；PTC为正温度系数热敏电阻即温度越高，阻抗越大。利用阻抗对温度的敏感特性在电路设计中起到了重要的作用。

    NTC在电路中主要为抑制电路启动过程中的启动电流，当系统启动过程中，由于系统内部存在功率电路、容性及感性负载，因此在启动瞬间会出现非常大的冲击电流。如果电路器件选型过程中没有考虑器件瞬时的抗电流能力，那么系统在多次启动的操作过程中，就很容易导致器件被击穿损坏，而在电路中加入NTC，等于在输入回路启动时提高输入阻抗减少冲击电流，而系统处于稳定状态时，由于NTC发热，根据其负温度特性，阻抗降低，从而在NTC上的损耗也降低，减少了系统的整体损耗。

    PTC在电路中可以起到保险丝的作用，所以其还有另一个名字为自恢复保险丝。在系统运行过程中，电路出现异常，导致出现大电流时，如果该部分电路中串有一个PTC，那么也就等于在PTC中存在有大电流流过，PTC发热，根据其正温度特性，其阻抗将变得很大，使整个回路的阻抗变大，从而使回路的电流变小，起到了保险丝的作用。根据其正温度的特性，PTC的另一个作用是在电路中实现过温保护。

    3结语：

    电阻的知识涵盖非常多，不仅仅是知道欧姆定律后就能应用好，其中还包括了材质及其特殊性能，如电阻元件的电阻值大小一般与温度，材料，长度，还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数；电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生损耗，以热能的形式表现；电阻在电路中通常起分压、分流的作用；对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻等。作为硬件工程师，想要把元器件用的得心应手，就需要通过对其材质，电气特性和其特殊性做深入的了解。<