3.2 电阻基础

谈起汽车电子中使用的元器件，首先提到的是电阻，它是实现电路的最基本的元件之一，通常在模块的BOM表中占据最多的项目和数量。电阻在汽车电子产品中的应用，根据安装方式不同一般分为如下两类：

1）贴片电阻也称为片式固定电阻器，其制造工艺是将金属粉和玻璃釉粉混合，采用丝网印制法印在铝基板上制成的。目前大部分模块中应用最多的电阻类型就是贴片电阻，其相关焊接工艺决定了未来它将占据绝对的主流。此类电阻按照制造工艺可以分为厚膜电阻和薄膜电阻，它们的价格、精度、参数和特性有一定的差异，在使用中需要格外注意。

2）插件电阻就是常说的插孔式电阻，此类电阻在汽车电子的使用中较为少见，通常用于大功率电阻的安装方式，作为限流电阻分离使用。

电阻的参数容易被人忽略，作为工程师不能只关心阻值这个参数，因为其他的几个参数也会对电阻的使用造成很大的影响。电阻的常见参数有以下几个：

1）标称值：标称在电阻上的电阻值称为标称值，即通常所说的电阻值。由于电阻精度的定义，电阻值并不是任意选取的，在本书后面将详细介绍电阻的选取。

2）初始精度：每个电阻都有一个初始精度，表征电阻出厂的容许偏差，这个值也是通常谈到的精度。需要注意：这个值表征的是电阻生命周期中最好的状态。

3）额定环境温度：指最大环境温度，注意该环境温度指的是在电子模块中电阻周围接触的空气的温度，并不是电子模块外部环境空气的温度。

4）额定功率：指在额定环境温度下，电阻可连续运行时所加载的功率最大值。额定功率是由电阻的封装所决定的，电阻的封装越大，其功率也越大，见表3-6。

5）额定电压：指在额定环境温度下，电阻可连续运行时所承受的电压最大值。额定电压与电阻的封装和电阻值有一定的关系。

6）最大工作电压：指电阻工作时能够连续承受的最大电压。最大工作电压与电阻的封装大小有直接的关系，可参考表3-6。

7）最高负荷电压：在过负荷实验（IEC 601151:2001 4.13）中5s内可能施加的电压最大值，通常施加的电压是额定电压的2.5倍或极限电压的2倍（两者取较低者）。

8）耐电压：参照耐电压实验（IEC 601151:2001 4.7），在电极与电阻体指定位置之间施加1min的交流电压。

9）温度系数：指两个规定温度之间的阻值相对变化除以两个温度之差，一般用每摄氏度百万分之一（10 ^-6 /℃）来表示。温度系数越小，电阻的稳定性越好。阻值随温度升高而增大的称为正温度系数，反之为负温度系数。

3.2.1 电阻的选值探究

有些人在进行设计时，往往认为电阻值是可以连续任意调节的，但实际上这是错误的观点。在大规模通用电阻中，并不是所有阻值的电阻都是在市场上存在的。美国电子工业协会在20世纪定义了一个标准电阻值系统，它定义了几个系列精度值的电阻值，见表3-7，分别是E3、E6、E12、E24、E48、E96和E192，E后面的数字代表从100到1000总共有几个阻值，其他电阻值按10的指数乘除得到。电阻厂家会对电阻进行编号，通常使用A～M来代表0.05%～20%的精度等级。贴片电阻在表面一般标有3位或4位数码表示电阻标称值，按从左到右的顺序，前几位为有效值，末位为指数，共同构成了电阻的标识方法。

在汽车电子领域中最为常见的是1%和5%精度的电阻，这两种精度的电阻工艺可以通过金属釉厚膜实现，高于1%的精度必须采用金属薄膜电阻，其价格比厚膜电阻昂贵百倍并且容易受到湿度和应力的影响，设计工程师选择时需要慎重使用此类电阻，在某些精度要求特别苛刻的环境下可以考虑选用。

在大多数情况下，选取非通用电阻时，往往需要使用多个电阻进行组合，这会使整个设计变得比较复杂。因此在设计过程中，首要确定的并不是标称电阻值而是电阻的初始精度。初始精度的确定需要根据不同的应用而变化，比如在大部分限流电阻和数字逻辑分压电阻中，并不需要高精度，一般选取5%的精度；在模拟电压和电流采集电路中，所用的电阻一般需要选取1%的精度。确定初始精度后，再根据表3-8中的标称电阻值选取可用的电阻值。电阻值的范围一般是1Ω～10MΩ。电阻值越小，对电阻功率的要求越高，往往导致电阻的封装变大；另一方面，若电阻选择偏小，会导致工作电流和静态电流偏大，不能满足低功耗的设计要求。当然，若电阻选择过大，也会导致工作点的电流过小，引起不必要的电压降。因此需要慎重选择标称电阻值的大小，一般1kΩ～1MΩ的电阻使用最为广泛。

以KOA公司的电阻系列为例，贴片电阻按照工艺可分为金属釉厚膜电阻和金属薄膜电阻，如表3-9所列；按照精度可划分为通用型电阻、精密型电阻和超精密型电阻；同时也有分立电阻和网络电阻的区分。这些电阻是比较常用的类型，后续章节将按照这些分类类型去介绍电阻使用的注意事项。

3.2.2 不同工艺造成的影响

工程师往往对贴片电阻的内部结构了解较少，电阻结构直接决定了它的特性。如图3-4所示，电阻由陶瓷基板、电阻膜、内部电极、保护膜和焊接端子电镀所组成。通常所说的厚膜是指金属釉膜，薄膜是指金属膜。虽然从图3-4中看它们的结构非常相似，但是其工艺和制作过程并不相同，电阻的特性也有较大差异。

1）金属釉厚膜：是将金属粉和玻璃釉粉混合，采用丝网（厚膜工艺）印制法印在基板上制成的。厚膜电阻成本低，厚膜和薄膜价格相比差十倍以上；厚膜电阻比薄膜电阻鲁棒性要强很多，耐热和耐潮更好，静电特性等也相对较强。因此，如果不是应用在高功率、高精度和高频的场合时，则优先选择厚膜电阻。厚膜电阻的极限精度是0.5%，并且在AECQ200规定的实验中表现相对较好。

厚膜电阻存在着一个很大的问题就是高频特性较差。信号如果在高频段工作时，存在趋肤效应，如图3-5所示，厚膜电阻在高频时的电阻值存在一定偏差。同时厚膜电阻的精度较低，在下一节的计算中可看到明显的对比结果。

在采集电路中，如果精度要求较高或在高速采集的场合，并不适用厚膜电阻，因为它的电流噪声较大，且温度系数很大，导致了测量的波动很大。在汽车电子设计中，往往需要在采集的阈值上考虑加上滞回环节，以避免由采集对象的波动和系统噪声引起的状态切换，如图3-5所示。

2）金属薄膜：是用真空蒸发的方法将合金材料蒸镀于陶瓷基板上制成的。

薄膜电阻的优点是可以做到很高的精度且温度特性好。由于排列紧密，使得薄膜电阻的电流噪声较小。如图3-6所示，薄膜电阻由于采用金属薄膜，在趋肤效应中变化并不明显，高频特性非常好；并且由于薄膜电阻排列均匀，其电流噪声和精度变化都要比厚膜电阻小很多。薄膜电阻的电子流动有序而平稳，减少了噪声的产生。与之相反，厚膜电阻内部由于路径较多，电子随机运动导致了噪声的产生。

厚度在几十nm的金属薄膜，外部采用15μm的有机涂料保护层，使得金属薄膜免受氧化，然而保护层往往并不具备完全防潮的性能。在生产和装配过程中离子污染的情况和电路板组装过程中薄膜电阻的损坏，会导致薄膜电阻的耐湿性和耐腐蚀性很不理想，例如，通常焊剂内含有钠离子和氯离子物质，在采用无铅焊接方式时情况更严重，因此需要进行充分清洗。

薄膜电阻，特别是NiCr材质的电阻，往往是湿度敏感的，在高温高湿的环境下可能失效。在选用时，一定要和供应商确认是否经过85℃、85%相对湿度环境中以工作状态运行1000h的实验。

薄膜电阻对静电（ESD）更加敏感，其直角拐点处是静电损伤的薄弱区，因此在生产和装配过程中需要特别注意静电的保护。在薄膜电阻的附近也要设计专门的静电泄放回路，以避免工作中的静电对电阻产生影响。

3.2.3 获取电阻的最坏精度

在元器件数据库的参数库中，最坏精度是一个非常重要的参数。电阻的实际偏差和很多因素有关，而人们能看到的初始精度与最坏精度有较大的差距。电阻在模块运行过程中，经过一系列的环境条件之后，其偏差会随着各种条件而增大，这个过程与很多因素有关，因此需要估计在这些因素影响以后的电阻精度情况。在AECQ200中有一系列的实验和测试数据，这些内容包括温度系数、焊接高温、潮湿、低温放置、高温放置、热冲击、脉冲冲击、温度循环和寿命影响，这些影响因素的大小如表3-10所列。

按照5.2.3小节介绍的，采用最坏情况分析中平方根分析法计算电阻的精度。需要进行修正的一点是电阻的温度系数，它是线性相关的，可将它与其他影响因素独立出来进行分析，按照这种方法可得到电阻精度的上限值是：

精度的下限值是：

经过计算发现，不同材质的电阻即使初始精度相同，其最终的老化精度也不相同，如表3-11所列。并且发现，电阻的精度与温度有着很大的关系，比如RK73H的电阻在85℃时的偏差为-1.84%～3.04%；而在-40℃时的偏差为-3.09%～1.79%。在计算过程中，由于某个时间只有一个温度，使得计算变得很复杂，需要做迭代和分割。为了更简单地完成运算并且不至于得到过小的结果，一般采用增大区间的方法，使用-3%～3%来覆盖整个温度范围内的最大值和最小值。虽然这个值可能并不是真实发生的，不过确实可以在双端值的最坏分析中完成简化的目的。一般有两条经验规则：

1）±1%的电阻采用±3%的最坏精度进行估计。

2）±5%的电阻采用±8%的最坏精度进行估计。

使用这两条规则可快速进行分析和计算，SAE1772的电阻偏差也是按照此规则进行的。

当然，在精度要求较高的场合，经验法就无法使用了。需要温度系数以外的部分都取常数，并且构造精度与温度的函数：

temp_tol（TCR,temp）:=TCR·（temp-25℃）

在某些情况下，对环境因素还要细分成为电子模块下线校正过程中能去除的部分。这个运算也相对简单，可以选出初始偏差、焊接高温、高温放置和低温放置这几个部分，得到校正时的精度，然后作为一个反馈参数，得到的结果见表3-12。在后续的设计中，将结合其他偏差详细介绍。

3.2.4 贴片电阻的散热

由于汽车电子中非常糟糕的热环境，使得在使用电阻时，需要对其热情况进行单独的考量。在通常的参考文件中，电阻的耗散功率一般与环境温度有关，并且以电阻降功率曲线来描述散热能力，如图3-7所示。

以典型的电阻降功率曲线为例，图3-7中的关键参数说明如下。

70℃：额定的环境温度值，超过这个数值，电阻的散热功率就开始下降了。

125℃：需要注意的是，所有排阻的最高工作温度都是125℃，这是AECQ200规定的二类器件，因此从分立的电阻切换至排阻时需要仔细校核电阻的散热情况。

155℃：这是分立贴片电阻的最高工作温度，电阻在不同温度下的降额功率都是通过这个温度来计算的。

环境温度：需要注意的是，这并不是模块外部的环境温度，而是模块内部电阻表面的温度。因此在计算过程中，需要加上模块热量在内部引起的温升。

额定功率降额：按照电阻环境温度以下的额定功率计算当前的实际散热功率。公式如下：

出于降额使用的考虑，电阻的功率一般采用以下的考量：小于1W的电阻一般会采用70%～80%，大于1W的电阻一般采用50%，实际的功率曲线如图3-8所示。

3.2.5 电阻防浪涌的能力

上一节主要介绍了电阻的稳态功率，这里则是考虑电阻的瞬态功率。实质上，大多数工程师只有一个很模糊的概念，认为电阻的瞬态功率是稳态功率的好几倍，但是并没有办法确定电阻在哪些浪涌脉冲的条件下会失效。根据电阻供应商提供的测试，一般能够得到电阻的单个脉冲最高功率，如图3-9所示。

图3-9是在额定环境温度以下所做的测试。如果环境温度超过了额定环境温度，则需要对脉冲功率进行降额，环境温度每升高1℃，脉冲功率降额1.25%。从上面的脉冲持续时间和封装可以得出各类电阻的单脉冲峰值功率，对照表3-6，确实可以发现额定的脉冲功率要比电阻的额定功率高很多倍。经过电阻供应商的测试，功率低于图3-9中数值时，电阻一般不会有任何明显的退化。但是需要注意的是，在长期的工作过程中，电阻可能经历很多重复的浪涌脉冲，电阻值仍可能会退化。

实质上，由于浪涌脉冲是重复的，还需要考虑脉冲的间隔时间，如图3-10所示。一般可以按照下面几种情况来计算电阻额定瞬态功率。需要注意的是，如果计算出的电阻额定瞬态功率小于电阻的额定功率，则以额定功率为主，且必须根据环境温度进行降额。

1）如果浪涌脉冲的时间间隔特别短暂，判断标准为间隔时间 T _OFF <4μs或 T _OFF <5ms并且（ T _OFF / t ）<1，将浪涌脉冲看成是稳态连续的功率，电阻的瞬态功率计算式为： P _M = P _C ，其中 P _C 为电阻的额定功率。

2）如果浪涌脉冲的时间间隔较短但是浪涌持续时间更短，判断标准为间隔时间 T _OFF >4μs， T _OFF <100μs且 T _OFF / t <700，电阻的瞬态功率计算式为： P _M = P _O ·0.01·（ T _OFF / t ） ^0.7 ，其中 P _O 是根据持续时间在图3-9上选取的功率。

3）如果浪涌脉冲的时间间隔较长但是浪涌持续时间也相对很久，判断标准为间隔时间 T _OFF >100μs并且 T _OFF / t <200，电阻的瞬态功率计算式为： P _M = P _O ·0.01·（ T _OFF / t ） ^0.85 ，其中 P _O 是根据持续时间在图3-9上选取的功率。

4）如果浪涌脉冲的时间间隔较短但是浪涌持续时间非常短，判断标准为 T _OFF >4μs， T _OFF <100μs且 T _OFF / t >700；或是浪涌脉冲的时间间隔较长但是浪涌持续时间也相对很短时，判断标准为 T _OFF >100μs并且 T _OFF / t >200，电阻的瞬态功率计算式为： P _M = P _O ，其中 P _O 是根据持续时间在图3-9上选取的功率。

实际上，并不是所有的浪涌电压脉冲都是方波的形式，需要将不规则脉冲功率转化成方波的形式，如图3-11所示，考虑脉冲的持续时间是从脉冲开始至电阻瞬时功率与电阻额定功率相等时。如图3-11所示，将整个脉冲等效成 t /2的方波，上下两个三角形的面积是近似相等的。因此面临单个浪涌脉冲时，计算出脉冲功率即可对照图3-11得出对比结果。

如果存在电阻功率呈现交流的波形，则取“包络线”进行等效，然后再通过上面的方法等效，如图3-12所示。

3.2.6 大封装产生的问题

汽车电子中的冷热环境对电阻选用也存在一定的限制。贴片电阻的基材一般是氧化铝，由于和电路板的热膨胀系数不同，在反复施加热循环的等热应力时，连接部的焊缝会发生裂纹。这是因为受热使印制电路板发生弯曲变形，待电路板完全冷却后，元器件会受到一个直接力的作用，使得焊点产生裂纹。特别需要注意：2010和2512大封装电阻，由于热膨胀大且电阻自身的发热较为严重，故在环境温度变化较大或热冲击时，电阻的裂纹非常容易产生，如图3-13所示。

在实际测试中，采用环氧树脂印制电路板，在-40～155℃的范围内进行热循环实验时，0402～1206封装的电阻都不容易产生裂纹。因此，需要慎重使用2010和2512这两种封装的电阻。需要注意的是，热应力产生的裂纹与电阻焊盘大小、焊锡量和电路板的散热特性有关，设计者需要事先就大电阻的问题与工厂的工艺工程师沟通。

一般很少采用0201以下的电阻，这是因为0201片状电阻比0402电阻小75%，这种封装要求贴装精度高但又不能降低速度。采用这种封装意味着更高的密度，这也是困扰较小元器件的主要原因之一。高密度使得贴装的任务难度大了一个数量级，更小的焊盘意味着更窄的元器件间距。对于密度高的PCB，贴装精度直接影响回流焊接后的装配缺陷数量；并且由于电路板需要经受振动和冲击实验的考验，一般采取较大的封装。

在设计过程中，其他贴片元器件使用注意事项如下：

1）贴片电阻的端子排列应与印制电路板的垂直方向一致。

2）如果采用拼板，电阻元件不能放在过于贴近印制电路板边沿的地方，以免焊完后分板时，由于印制电路板的变形、弯曲等受到各种应力导致电阻失效。

3）不要在接插件附近放置贴片电阻，在接插件插入和拔出的过程中，产生的应力也会使电阻失效。

4）电阻的焊盘大小必须一致，否则将会导致焊盘上焊锡量的不同，使得两端的应力不同，电阻会被拉向一边，这个问题可以通过阻焊解决。

5）如果电阻放在其他大的元器件周围，焊锡凝固时，电阻也容易拉向大元器件一边。 IgHY9eKZRPIQAUKZrIvC2djVVNIJt328EprhOqiQUYuytcVhvr25bRl+CUyGKMBE