Resistor----貼片電阻的功率降額

引言：電阻器可施加的最大功率會(huì)隨著溫度而變化，但以往大多不考慮電阻器的溫度，僅通過(guò)“電阻器負(fù)載功率在額定功率的30％以內(nèi)”等條件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在引腳型電阻器為主流的時(shí)代，即使使用這樣的設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品可靠性上也幾乎不會(huì)發(fā)生問(wèn)題，但目前時(shí)代主流的表面貼裝電阻器如果使用相同的設(shè)計(jì)，則會(huì)發(fā)生電阻器故障，電路板冒煙等事故。為了防止這些事故的發(fā)生，同時(shí)為了替換小型產(chǎn)品和減少使用數(shù)量，有必要根據(jù)表面貼裝電阻器的條件進(jìn)行降額。

1. 表面貼裝電阻器的溫升

對(duì)于引腳型電子部件，這些部件所產(chǎn)生的熱能，都由部件表面散熱至大氣當(dāng)中。貼片電阻器等表面貼裝電阻器所產(chǎn)生的熱能，幾乎都散熱到印刷電路板上。另外，由于印刷電路板易傳熱，因此貼片電阻器周?chē)牟考踩菀资軣嵊绊?。圖3-1是針對(duì)已實(shí)施散熱對(duì)策與未實(shí)施的電阻器對(duì)比圖，施加相同功率時(shí)的熱能圖片，即使部件配置相同，不同的電路板，電阻器的溫度就存在很大差異，由此可得表面貼裝電阻器的溫度管理非常重要。

圖3-1：電阻器溫度根據(jù)電路板是否實(shí)施散熱對(duì)策所產(chǎn)生的差異

2. 表面貼裝電阻器的溫度管理的重要性

第一，PCBA的小型化，印刷電路板的貼裝密度越來(lái)越高，使得單位面積的發(fā)熱量增加，因此印刷電路板本身也容易升溫。

第二，PCB配置環(huán)境的高溫化，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)箱內(nèi)等高溫環(huán)境下安裝汽車(chē)ECU(Electronic Control Unit : 控制車(chē)載機(jī)器的電子裝置) 。使得電阻器的使用環(huán)境溫度不斷上升。

第三，電阻器的小型高功率化，這也是促使溫度管理的重要性增加最主要的理由。1206尺寸以下的貼片電阻器,額定功率在2000年過(guò)后幾乎倍增。這并非電阻器本身的規(guī)格變更，而是在確保適當(dāng)?shù)臏囟裙芾淼那疤嵯拢瑢?duì)額定功率進(jìn)行了重新評(píng)估。因此，為了安全使用表面貼裝電阻器，則有必要管理電阻器的溫度。

3. 表面貼裝電阻器的發(fā)熱與散熱

表面貼裝電阻器通過(guò)焊料等接合材料貼裝在印刷電路板上。圖3-2顯示貼裝在印刷電路板上的貼片電阻器的主要散熱途徑。散熱途徑可以分為三種：第一種是接觸的印刷電路板等的熱傳導(dǎo)(以下稱(chēng)“傳導(dǎo)”)，第二種是空氣對(duì)流傳遞(以下稱(chēng)“對(duì)流”)，如自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流(風(fēng)扇)。第三種是紅外線的輻射。分別對(duì)0402尺寸與0805尺寸以及2512尺寸的貼片電阻器施加功率時(shí)，其散熱途徑的散熱比如表3-1所示。我們可以得知貼片電阻器的散熱，有90％以上都是對(duì)印刷電路板的傳導(dǎo)來(lái)進(jìn)行。另外，貼片電阻器的熱能容易傳導(dǎo)給印刷電路板，相反地，亦能解釋為何印刷電路板的熱能容易傳導(dǎo)給電阻器。

圖3-2：三種熱傳導(dǎo)路徑

表3-1：各散熱途徑的散熱比例

由此得知，貼片電阻器的溫度強(qiáng)烈取決于印刷電路板的散熱能力。電阻器在通電的同時(shí)開(kāi)始升溫，發(fā)熱量與散熱量一致時(shí)達(dá)穩(wěn)定(平衡狀態(tài))狀態(tài)。電路板的散熱能力高則電阻器的溫度低，相反地，電路板的散熱能力低則電阻器的溫度高。因此，如印刷電路板因周?chē)考l(fā)熱而升溫，則電阻器也會(huì)隨之升溫。過(guò)去所使用的引腳型電阻器，其產(chǎn)生的熱能多半散熱至空氣當(dāng)中，從引腳傳導(dǎo)至印刷電路板的散熱比例僅占少數(shù)。因此，引腳型電阻器幾乎不會(huì)受到印刷電路板所產(chǎn)生的熱能影響。

4. 電路板布局與貼片電阻器的溫升：

下面是將0805貼片電阻器，額定功率0.5W，貼裝在3種散熱性各異的印刷電路板的狀態(tài)。在室溫環(huán)境下，每個(gè)電阻器施加0.125W(額定功率的25%)功率時(shí)，電阻器端子部位的溫升狀況?T如圖3-6所示：

圖3-3：電阻器：1個(gè),布局寬：0.5mm

圖3-4：電阻器：1個(gè),布局寬：39mm

圖3-5：電阻器：8個(gè),密集貼裝

圖3-6：貼片電阻器隨不同電路板布局溫升的示例

當(dāng)各電阻器端子部位的溫升狀況?T為圖3-3：36℃，圖3-4：9℃ ，圖3-5：140℃，若電路板布局不同，與周?chē)邪l(fā)熱部件，那么電阻器的溫度也將存在很大差異。以上結(jié)果是在相同的環(huán)境溫度，施加相同功率下所得的結(jié)果，由此可得貼片電阻器的溫度不僅僅憑環(huán)境溫度，施加功率而決定。如前述，貼片電阻器的散熱有90%以上傳導(dǎo)給電路板，換句話說(shuō)，貼片電阻器將印刷電路板當(dāng)作散熱板使用。若這些印刷電路板散熱有差異，即會(huì)出現(xiàn)如圖3-6般的溫升差異。

使用圖3-7左的布局，改變施加功率，用熱成像測(cè)量印刷電路板與電阻器的溫度結(jié)果如圖3-7右所示。另外，在進(jìn)行熱成像測(cè)量前，對(duì)印刷電路板的溫度測(cè)量部位與電阻器均做事前處理，涂上黑體噴霧(溫度測(cè)量位置在熱像的白線上)。我們可以得知對(duì)電阻器施加的功率越大，電阻器的溫度就越大，而且印刷電路板溫度也會(huì)越高。另外，兩個(gè)電阻器間的印刷電路板溫度(圖3-7的紅色箭頭部位)與電阻器上升的溫度幾乎相同。這是表示電阻器的散熱導(dǎo)致印刷電路板升溫至與電阻器同溫，兩個(gè)電阻器間無(wú)法再散熱的狀態(tài)。綜上所述，表面貼裝電阻器的溫度，不僅取決于施加功率所產(chǎn)生的自身發(fā)熱，而且也取決于印刷電路板周?chē)考a(chǎn)生的溫度。

圖3-7：通過(guò)熱成像觀察溫升的示例

即使施加功率相同，電阻器的溫度仍會(huì)隨印刷電路板的散熱能力而不同，因此“電阻器負(fù)載功率在額定功率的X％以內(nèi)”這樣的設(shè)計(jì)不適用于表面貼裝電阻器。另外，雖然通常使用的印刷電路板(FR-4)的連續(xù)使用溫度為130℃。但是當(dāng)溫度超過(guò)連續(xù)使用溫度，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)帶來(lái)印刷電路板冒煙或燒毀等風(fēng)險(xiǎn)。

5. 表面貼裝電阻器的功率降額

電阻器有規(guī)定可使用的溫度范圍，由于施加功率后電阻器便會(huì)發(fā)熱，因此有必要考量其溫升狀況，管理施加功率與溫度以防止超出電阻器的使用溫度極限。降額曲線顯示對(duì)電阻器的施加功率與溫度間的關(guān)系，圖3-8是以貼片電阻器為例的降額曲線?？v軸是可施加的功率(額定功率的百分比)，橫軸是電阻器端子部位的溫度。此功率降額曲線的貼片電阻器，雖然可施加端子部位溫度為125℃，但超過(guò)125℃時(shí)，就要根據(jù)溫度，相應(yīng)降低功率。如前述，端子部位的溫度會(huì)隨印刷電路板的布局或貼裝狀態(tài)而不同，需多加留意。

6. 功率降額曲線的使用方法：

以下以矩形貼片電阻器系列為例，來(lái)驗(yàn)證電阻器功率降額曲線的使用方法（Resistor-2：通用電阻的一般用途，回顧第二章節(jié)里面說(shuō)的跳線電阻，降額考慮非常重要）。

(1)需驗(yàn)證的貼片電阻器為0805尺寸，施加功率為0.1W。對(duì)貼片電阻器施加功率時(shí)，電阻器的端子部位溫度為140℃。

(2)在圖3-8橫軸140℃的位置畫(huà)出垂直線，求出其與降額曲線的交點(diǎn)。

(3)從上述交點(diǎn)向左畫(huà)出直線，求出額定功率比(圖3-8(3))。從此示例可得知，最大可對(duì)貼片電阻器施加額定功率的50%。

(4)施加功率為0.1W，因此電阻器的額定功率至少要在0.1W÷0.5＝0.2W以上。 0805尺寸的額定功率為0.25W，因此可在此電路上使用。 接著使用“額定功率的30%以內(nèi)”的設(shè)計(jì)，和上述方法進(jìn)行比較。施加功率為0.1W，此為額定功率30%以內(nèi)的數(shù)值，因此貼片電阻器的額定功率要在0.1W÷0.3＝0.34W以上。

計(jì)算結(jié)果得知，不能使用以上所說(shuō)0805尺寸貼片電阻器。一般額定功率在0.34W以上的最小尺寸為1210尺寸，因此如果使用這種設(shè)計(jì)，則有必要使用更大尺寸的貼片電阻器，通過(guò)有效地利用功率降額曲線，就可以使用合適的貼片電阻。

圖3-8：貼片電阻器的功率降額曲線(例)

總結(jié)：表面貼裝電阻器隨著小型，高功率化的發(fā)展，溫度管理也逐漸重要。若未進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟裙芾恚瑢⒖赡軐?dǎo)致意料之外的事故。對(duì)表面貼裝電阻器施加的功率不能單憑“額定功率的％X以內(nèi)”來(lái)決定，而是必須根據(jù)功率降額曲線來(lái)評(píng)估電阻器的溫度（尤其是功率用電阻），通過(guò)這種方法確定適合條件的電阻器尺寸與數(shù)量，才能安全使用。