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开关电源中的基本元件——《电阻及其分类》

发表时间:2021-06-08 09:22

在详细介绍设计高性能开关电源(简称SMPS,大家也常称之为开关电源或简单地称之为“变换器”)之前,有必要回顾一下电源中使用到的元器件,了解它们的特性,清楚它们对设计的影响。从表面上看来,电源只是各种各样电子元器件的堆砌,但选择好这些元件往往是设计人员面临的一个重大挑战,也是一项很费精力的工作。电子产品特别是消费电子产品,电源系统设计时总需要平衡性能、成本、效率、可靠性和开发周期等各方面要求,而这些要求之间经常相互冲突,在元器件级别做出的决策有时可能会决定设计项目的成败。所以在本章里,我们会对这些元器件作一个概述,当然,由于篇幅所致,这里不可能包含所有碰到的问题。

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图3.1   将电路原理图转化为一个 合格的产品需要对电子元器件特性有清楚的了解


1.电阻及其分类

电阻是最基本的电子元器件之一, 它在电源中的应用和在其他场合中的应用没有太多的区别,所以考虑的问题点也基本上一样。但为了设计好一个电源,我们还是有必要对电阻各种类型和特性进行简要论述。

1.1碳膜电阻

碳是一种良好的导电体,将它与诸如陶瓷之类的非导电材料混合时,可以制成各种阻值的电阻,这些电阻稳定性好,成本低。“碳膜复合”电阻最初是用固体复合材料制成的,但现在采用更多的是在绝缘芯上使用沉积碳膜制成。电阻值范围可以从小于1Ω到大于10MΩ,承受的功率水平也可以从1/8~5W。

随着半导体集成度的提高,半导体厂商也倾向于将更多的电阻加入到集成电路中,尽管这使电阻的使用数量在减少,但电子电路中电阻还是普遍存在的。并且,在一些需要编程电压大小,进行阈值设定和增益调节的模拟电路中,它们仍然十分关键。现在随着生产自动化的普及,为了与自动化表面贴装生产技术(SMT)兼容,电阻通常更多的是以更小的贴片(SMD )形式制造的。

1.2 金属膜电阻

电阻也可以通过真空沉积,将各种金属以圆柱或片状形式沉积在陶瓷基底上制成金属膜电阻。这种技术比碳复合材料制造的电阻呈现更高的稳定性、更高的精度、更低的噪音和温度系数,但是成本却要高出碳膜技术不少。并且阻值可以在制造过程中进行激光微调,达到0.1%的精度等级,而温度系数范

围可以在5-25ppm/℃ ( 1ppm,即为百万分之一)。

1.3其他类型电阻

对于大功率、大电流的电源,会用到各种材料和封装形式的绕线电阳这些电阻在电源中的一个常见应用是作为电流分流器,它们的阻值非常低,用于获得较小压降( 通常低于100mV )来间接测量电流。用绕线形成电阻有可能引入寄生串联电感,这会对具有快速变化的电流产生负面影响,如产生干扰或是导致测量不准确,然而,可以利用双向绕线寄生电感相互抵消的原理,双向绕线电阻可以很大程度上消除这种影响。

如果需要非常低阻值的电阻时,可以利用印刷电路板( PCB)中铜箔走线阻抗构成电阻,但是设计时必须考虑到铜很大的正温度系数,铜箔走线的电流处理能力也存在相同的缺陷。使用PCB走线的好处在于,电阻本身已经存在,设计者只需要定义一个特定几何形状来满足所需要的阻值即可,如图3.2所示。

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图3.2   由于PCB覆铜是均一材料和厚度,定义方块电阻(R2)为Ω/□,然后乘以几何形状的长宽比,就可以确定电阻值





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