KA_IX

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电阻"最全"电路用法合集

2021-1-19 11:59:49 显示全部楼层
什么是电阻

电阻,Resistor。顾名思义,电阻就是“阻挡电能”的元件。电能从电阻通过,就会有一定的衰减。衰减的电能变成了热能。
在学校里学的都是色环电阻,但实际上如今电子行业用色环电阻的非常少,几乎都是贴片电阻。
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先来看看贴片电阻长什么样子

贴片电阻
外观上看,贴片电阻都是扁长方体,两端各有一个焊盘。
如果电阻尺寸大,正面会标有黑底白字的数字标号,代表电阻值,如果尺寸小,例如0402或0201的电阻,标不下,就是纯黑色。
电阻的正面都是黑色的,背面是白色的。电阻黑色、电容黄色、电感白色、磁珠灰色,这是业界普遍的规则。贴片元器件贴在主板上,最直观的是靠颜色来辨识。

找得到哪些是电阻么?
电阻的基本参数不多,主要是尺寸、阻值、精度、功率:
封装尺寸:
0201、0402、0603、0805、1206等。数字代表英寸,06=0.04英寸≈1.0mm,06=0.06英寸≈1.6mm,以此类推。不光是电阻,电容和电感等也是这样的尺寸标注。
这里要注意,对于小尺寸容阻感,通常大家说的都是英制尺寸,有时候也会有人说公制尺寸,例如公制的1005为英制的0402,0603的公制尺寸为英制的0201。大尺寸的例如钽电容有时候会说公制尺寸,例如3225的钽电容等。晶体一般也是说公制尺寸,如2520的晶体。

电阻的参数
对于超小型的元器件,英制尺寸并不是那么准确,例如01005的电容,并不是0.01x0.005英寸,而是约0.0158x0.0079英寸,即0.4x0.2mm。但是为了和说的最多的英制0402区分开,大家普遍还是叫01005。
苹果手机上大量使用01005的元器件(0.4x0.2mm),Android手机大量使用0201的元器件(0.6x0.3mm),普通消费电子产品上大量使用0402和0603的元器件,大功率的地方会用到更大尺寸的。
0201和01005的元器件,对PCB制板、SMT生产、硬件调试等都有很高的要求。尤其是调试的时候,用镊子捏着针尖大小的元器件,手工焊到电路板上去,比较考验技术。Android手机卖不上苹果那么高的价格,因此普遍选择加工工艺和价格不是那么贵的0201的元器件。
通用规格的电阻中,0402尺寸的最便宜;0603略贵一点,因为个头大材料费贵;0201早几年要比0402贵几倍,这些年因为手机产量大了,价格也回落到0402差不多的了。01005比0402贵一个数量级,因为用的产品少,工艺也更困难。
0402电阻参考价20块钱一盘,一盘10000颗。你没数错,是4个零,一万颗20块钱,一颗0.2分钱。但是千万别觉得电阻价格便宜,就想用多少用多少,电阻不值钱,但SMT要算费用的,最便宜的SMT也要收1分钱一个点(一颗电阻算一个点)呢。贴片费都比电阻的材料费贵好几倍呢。

电阻阻值:
阻值=电阻的数值,单位欧姆,符号Ω。这个符号不容易直接打出来,因此大家约定俗成的用R,或者ohm。例如47R、47ohm等。
电阻的阻值有非常多,0.1R、1R、10R、1KR、1MR、4.7KR、470KR等,为了规范化的表示阻值,且在面积非常有限的电阻的表面印上这些数字,通常用三位或四位数字来表示电阻值。ABC=AB x10的C次方,ABCD=ABC x10的C次方。
例如010=1x10的0次方=1R,472=47x100=4.7KR,473=47x10的3次方=47KR。上文中的1822=182x100=18.2KR,562=56x100=5.6KR。
对于更小的数值,例如0.1R用0R1来表示,4.7R用4R7来表示。0.001R,就是1毫欧,用R001来表示。
电容和电感的表示方法,和电阻基本一致。只不过电阻的计算基数是Ω,电容的计算基数是pF,例如473的电容,是47000pF,即47nF。电感的表示方式是ARB或者ANB,4R7的电感是4.7uH,4N7的电感是4.7nH,471的电感是470uH。

电阻上的数字,就是电阻的阻值
电阻精度:
精度,就是允许的最大误差。通常电阻都是5%精度的,也就是说100R的电阻量出来在95R到105R之间。常用的精密电阻是1%精度的,100R电阻量出来在99R-101R之间。越精密越贵,1%比5%要贵一倍左右。还有高精密电阻,0.1%的,消费电子上完全用不到。
在电阻的标签上,用一位英文字母来选择精度,F=1%,J=5%,K=10%,M=20%。
绝大部分情况下,电阻都不需要用1%的,精密电阻主要用于电压采样上,或作为电压源和电流源的基准。消费电子上用的最多的,就是DC-DC升压电路中的电压反馈。
普通5%的电阻,阻值都是固定的,主要是1、2、2.2、3.3、4.7、5.1、6.3、7.5、8.2、10等整倍数。而1%的精密电阻,就比较多了,39.2R、12.1K、384K等等。如果去定做的话,什么数值的都可以定的到。
对于精密电阻,还需要考虑温飘。温度不同电阻的误差也会有变化。通常消费电子里不需要太考虑电阻的温飘问题,主要在仪器、信号采集等高精度领域会需要考虑。

电阻料盘标识:0402封装,4K7阻值,J档是5%
最大功率:
电阻,阻挡电能,被拦下来的电能就转化成了热。那么小的一个器件,承受的热量是有限的,因此需要考虑到电阻的功率,功率超标了,就可能把电阻给烧断了。家里的白炽灯灯泡本质上就是一根电阻丝,烧热了就发光,再烧的更热了就断了。
越粗的水管流过的水越多,越粗的电线承受的电越强,所以越大的电阻,承受的热量也就越高。通常0805的电阻有1/8W,0603的电阻有1/10W,0402的电阻有1/16W,0201的电阻有1/20W,01005的电阻有1/32w。
至于功率怎么计算?P=I²R,我记得初中就学过了。
0欧姆电阻怎么算?电流可以无限大么?当然不是,因为除了超导体,不存在绝对0欧姆电阻的东西,按照误差来看,0欧姆电阻一般最大误差0.05欧姆以内,经验值上0805的0欧姆电阻按照2A最大电流来设计。
如果想要通过更大的电流怎么办?那就加大尺寸呗。像下图这样的手指头大小的水泥电阻,就可以承受1-10W的功率。在电源、音响、电视、汽车上都有广泛应用。手持设备上没这么大的电流,用不到这么大的电阻。

这是什么电阻?
图片问答:大功率电阻之水泥电阻

“电阻”的用法
电阻的特点是阻挡电能,电阻的关键参数有尺寸、阻值、精度和功率。电阻的应用场景非常多,都是围绕着电阻的特性来使用的。我们重点讲一下实际工作中遇到的电阻的功能,理论知识和计算公式就不赘述了。
在初学者心目中,电阻就是拿来分压用的,但是实际项目中,绝大部分电阻都不是当作分压用的。
我们统计过,一个Android智能平台的硬件电路中,大约20%的电阻是做上拉下拉使用,30%的电阻做EMC和ESD使用,40%的电阻占位置和跳线,5%的电阻用来做电压采样,剩下的最多只有两三颗是用来做正经的分压用途。
且听我们一一道来:
上拉下拉
上拉,就是把电路拉高到电源,下拉,就是把电路拉高到地。下面有几张参考图。

上拉电阻
↑I2C总线的上拉电阻,R709和R710。使I2C在无控状态下保持高电平。

上拉电阻
↑SDIO总线的上拉电阻,R610,R611,R613、R614。提升外设驱动能力。

下拉电阻
↑NMOS开关控制脚的下拉电阻,R732。使MOS管在无控状态下保持关闭。

下拉电阻
↑LDO开关的下拉电阻,R759。使LDO在无控状态下保持关闭。
上下拉的主要作用,一是让线路在无人控制的情况下维持在固定的状态,二是提升驱动能力。
关于无人控制,很多人会认为,系统开机之后,我配置了这个GPIO口,就可以控制了呀,为什么存在无人控制的情况呢?
对,开机之后都可以控制,但是系统刚上电,未开机,或者开机过程中,GPIO口却都是在无控状态。如果只供电但还没有开机,电源的控制脚是一个默认内部上拉的GPIO口,电源就被打开了,经常导致电流灌进还没有运行起来的其他GPIO内,导致上电漏电。
如果开机,开机的过程一般是:上电-复位-电源初始化-跑引导程序-内核运行-应用运行,用户配置代码要么在内核中,要么在应用程序中,改不到引导程序的。虽然前面无控的时间非常短,可能只有几百毫秒,但是有可能导致某些GPIO口的默认状态不对导致外部电源被意外打开,一样有可能出现漏电的情况。如果是灯的开关,就有可能在开机一瞬间灯亮一下,跑到程序设定的地方才会被关闭。
因此,对于开关脚(EN,enable),选择GPIO的时候要选择默认是关闭状态的GPIO口,保险起见应当预留一个开关上下拉的电阻,用来确保开关脚的默认状态是对的。
这类开关上下拉电阻,通常用于电源芯片的开关、灯的开关、模拟开关等控制脚上。
这种用法也会用在中断信号上,通过外加一个上拉电阻,使中断脚在没有输出的情况下保持高电平,一旦输出低电平,就会被拉下来。反之亦然。
这些上下拉电阻,通常在10KR-100KR之间,电阻小了会导致漏电大或者GPIO控制不了,电阻大了会导致和芯片内部上下拉冲突。GPIO输出电阻一般在10kR以下,内部上下拉一般在100KR上下。(实际上也是两个电阻分压的原理)
至于I2C的上拉,是协议要求的。I2C两根线要求默认是高电平,一旦被拉到低电平就会认为有数据要发送了。在I2C主机和从机都没有控制的情况下,需要维持在高电平。而I2C硬件上都是OC门,没办法自己上拉,因此需要外部上拉电阻。这种情况算是个特例。
SDIO接口,就是接SD卡、TF卡的接口,增加10KR-33KR的上拉电阻有助于提高驱动能力。某些小厂生产的比较水的SD卡和TF卡,会不容易被识别到,增加上拉能够减小不读卡的概率。
后面还会继续讲解:电阻的用法之ESD,EMC,0欧姆,跳线等使用方式
电阻的特点是阻挡电能,电阻的关键参数有尺寸、阻值、精度和功率。电阻的应用场景非常多,都是围绕着电阻的特性来使用的。我们重点讲一下实际工作中遇到的电阻的功能,理论知识和计算公式就不赘述了。
在初学者心目中,电阻就是拿来分压用的,但是实际项目中,绝大部分电阻都不是当作分压用的。
我们统计过,一个Android智能平台的硬件电路中,大约20%的电阻是做上拉下拉使用,30%的电阻做EMC和ESD使用,40%的电阻占位置和跳线,5%的电阻用来做电压采样,剩下的最多只有两三颗是用来做正经的分压用途。
且听我们一一道来:
前文讲了上拉电阻,下拉电阻;


EMCESD
EMC,Electro Magnetic Interference,电磁兼容性。我们周围有很多电子设备,每个会有意无意的对外释放电磁波,如果释放出来的杂波太多,就会干扰到周围的设备。EMC测试就是测量设备辐射出来的电磁波有没有超标。
ESD,Electro-Static discharge,静电释放。大家冬天脱非纯棉衣物的时候,会噼里啪啦的冒火花,有时候摸到车门也会被电到,这就是静电。日常中的静电高达好几千伏(KV),4KV的静电可以让指尖有痛感,8KV的静电可以把指尖打的很痛,10kV的静电可以把整个手指打麻木了。电子设备是很脆弱的,容易被静电打坏,因此需要通过ESD测试,一般最低标准接触放电4KV、空气放电8KV,需要用防静电的元器件。
电阻,就是个I=U/R的公式,为什么还能防静电,还能防辐射呢?咱们先看看下面实际应用的原理图。

EMC和ESD
↑I2S音频信号线上串电阻,降低数字信号的高频辐射。

EMC和ESD
↑按键矩阵线路上串联电阻,提升ESD防护性能
对于按键的输出接口,输出阻抗是很低的,小于1KR。增加一个K级别的电阻能够使输出阻抗变大一些,静电打进来之后瞬间电流也会变小,使芯片管脚防静电能力有一定的提升。像按键上串联电阻防静电,实测能有2KV左右的提升。
电阻不是最好的防静电的手段,但是是最便宜的防静电手段。TVS管的提升防护力可以达到4-6KV,但是价格比电阻贵50倍左右。
电阻的EMC作用主要体现在电阻的高频特性上。

EMC电阻
↑高频下的电阻的等效电路
电阻本身是两个焊盘外加一段导线,有pF级的寄生电容和nH级的寄生电感。寄生电容和寄生电感在直流下起不到什么作用,电阻的确就是个电阻。但在高频下,pF电容和nH电感就不能被忽略了。EMC就是利用了这个特性。
串联电感的特性是通过直流、隔绝交流。电阻上的寄生电感能够滤除几百兆到G级别的辐射,使得线路上发出的信号的高频噪声不会辐射出来。
在线路上串联电阻,通常用在正常电压的几十MHz以上的高速数字信号上,例如I2S、并口LCD、数字Clock等。
为什么高速数字信号能够产生高频辐射呢?数字信号都是方波,方波的频域展开后,有大量的高次谐波,这些高次谐波就是高频辐射源。(参见方波傅立叶变换之后的图形)
同样,电阻也不是最好的EMC器件,但是是最便宜的。既然利用了电阻的寄生电感来防止辐射,那也一样可以用电感来实现,只不过电感的单价比电阻贵了近10倍。

“电阻”的用法之0欧姆
没有比电阻更便宜的元器件了,因此电阻被广泛用于占位置和预留位置。如果没出问题,就继续用电阻,如果出了问题,再换成电感、磁珠等其他元器件。

↑Camera电源线上预留0R电阻
通常在电源线上,可以预留0R电阻。本身电阻的寄生电感就可以降低EMC辐射,以及减小电源被外部干扰的情况。如果0R电阻扛不住,那就换成相同尺寸的磁珠即可,能够把EMC能力再提升很多。磁珠比电阻贵10-15倍。
电源为什么会有辐射出来?因为设备工作的时候并不是固定不变的功耗,从微观时间来看,设备工作电流会随着时钟而抖动,电源则会跟着设备工作电流的变动而抖动。因此电源上必定会保留去耦电容,大部分时候会预留0R电阻或磁珠。对于一些超高频的供电,如CPU供电,还需要做电源高频阻抗仿真。
预留的0R电阻,还能够当作测试点,方便测量到信号。(如果线路走在PCB内层,就没有办法直接测量了)还可以通过断开0R电阻,来断开线路,或者飞线调试。0R电阻对于电路调试和测试也是很重要的。
不过这个设计并非没有弊端,如果线路走在PCB内层,能够防止电路对外辐射信号,也能够防止外面的静电打进来。布置在PCB外层的预留电阻本身也可能成为一个干扰源。并且前面也讲了,电阻虽然便宜,但SMT也要花钱的,预留电阻不可太多,够用即可。


“电阻”的用法之跳线

跳线大家都不陌生,电脑主板上,开发板上,都会留有很多插针式的跳线,用于手工切换线路。但是智能硬件普遍都比较小,留不下插针式的跳线。且多为一次性切换,SMT的时候选择好就行了,无需用户自己手工选择。因此普遍使用0R电阻来做跳线


↑插针式的跳线

↑插针式的跳线

↑PCM和I2S兼容跳线,以及电源选择跳线
如上图,分别是蓝牙PCM和音频CODEC的I2S之间做一个二选一,以及LDO1和LDO4供电二选一。选择哪一路,SMT的时候就贴那一路的0R电阻,不选的那一路补贴即可。
图中的DNI是don’t need install的意思,也有DNP(do not present)和NC(not connect)的说法。总之就是SMT的时候无需贴片,出BOM的时候也不需要列出来
跳线电阻是比较占电路板面积的,一根走线要配2个电阻的面积,对于4根走线的要8个电阻。如果空间比较小,可以采用下图的共用焊盘的跳线电阻的方式,两个电阻有一个焊盘是公用的。这样可以节约1/3左右的面积。

↑省空间的跳线电阻Layout示意图
跳线有时候会被称为“兼容设计”,就是一种电路板设计方案可以同时支持几种不同的配置
在电路设计的时候,我们很难做到所有的方案都提前验证好,不管是没有开发板,还是飞线飞不出来,或者是没时间。经常会有几种备选方案,例如GPIO口选哪个比较好?供电用内部的还是外部的?这颗芯片和另外一颗芯片哪个更好用?
PCB板一旦投下去,就是成本,还有动辄半个月一个月的时间,因此在犹豫不决的地方要做“兼容设计”。既然不知道哪个接口比较好用,那就两个都留着吧,万一这个有问题了,重新焊一下就解决了,不需要再花费大半个月的时间改PCB板了。
硬件设计中,用过的、测过的才是相对准确的。仅理论可行但没有用过的设计,一定要小心。要有做兼容设计的思维,才能保证项目风险可控,才能不因为设计错误导致硬件报废重做。



“电阻”的用法之采样电阻
电压或电流的采样,是电阻最正统的使用方式之一
虽然用的很少,但是严格遵循了安培定律,大家在初中物理上学的知识有用武之地了!

↑充电电流采样电阻
这是4.2V锂离子电池充电电路,前面的PMOS和二极管先不用看,只看后面这颗0.2ohm 1%的电阻。电阻两端,一端是IS(I Sense),电流检测的意思,另一端是VBAT,就是电池。IS和VBAT都会接入到系统的ADC,I charge =(Visense-Vbat)/0.2
这个方式通常用于1A以下的充电电流检测。电流越大,电阻分压就越大,如果用2A充电,5V的充电器,经过线路损耗、Pmos和二极管,再减去检测电阻的电压,就不到4.2V了,充电就充不满了。
对于此类大电流流过的电阻,一定要计算功率,不然有烧掉的风险。例如1A,0.2ohm,算下来功率在0.2W,0805封装1/8W的电阻勉强够用,1206封装1/4W的电阻就比较好了。
采样电阻能不能做的更小呢?答案是可以的。大电流情况下肯定是要用小的采样电阻很多高精度毫欧级的电阻都是用来做大电流采样的。但是不能做的太小。例如1A 0.2ohm的时候,电压差在0.2V,如果用0.05ohm的电阻,电压差就只有0.05V了,此时如果检测50mA的充电电流(充电截止电流),电压差就只有2.5mA,一来容易被干扰,二来对ADC的精度要求太高。所以检测电阻要和检测电流匹配才行。

↑LCD背光电路电流反馈采样电阻
这是一颗LCD串联背光驱动芯片,LCD的背光是一串或多串白光LED灯,芯片将4.2V的VBAT升压到十多伏,驱动串联的LED灯。例如一颗灯是3.3V,5颗串联就是16.5V。
LED对电流特别敏感,电流稍有波动,就能够看到LED在闪烁。需要一个电流采样作为反馈信号输入给驱动IC
这个示例中用的是2串串联灯,每一串LED的工作电流是20mA,2串LED并联就是40mA。驱动IC设计要求FB(feedback)脚上的电压要固定在200mV,因此得出电阻需求是200mV/40mA=5ohm。于是选择使用了5.1R_1%的电阻。(5ohm不常见,选了常见的5.1ohm)。
这颗电阻的作用也可以认为是提供了背光驱动芯片的参考电压

↑参考电压 R1704

↑参考电压 R1703
这个例子是联芯1860C处理器上的两组参考电压,200R_1%是提供给USB的参考电压,4.02K_1%是提供给摄像头ISP的MIPI接口的参考电压。
这些精密电阻的值,都是由芯片原厂提供的,芯片是人家设计的,咱们就不要乱动了,老老实实按照参考设计来吧。

原文来自“燚智能硬件开发网”“燚智能周教授开讲智能硬件开发实战派”
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