1.1. 電阻篇----硬體設計指南(持續補充更新)

西比尔的预言书發表於2024-06-15

本系列文章是筆者對多年工作經驗進行總結,結合理論與實踐進行整理備忘的筆記。希望能直接指導硬體工程師的設計實操,而不是看的雲裡霧裡的理論描述。既能幫助自己溫習整理避免遺忘也能幫助其他需要參考的朋友。筆者也會不定期根據遇到的問題和想起的要點進行查漏補缺。如有謬誤,也歡迎大家進行指正。

一、設計要點
1.一般而言,電阻選型應以成本最最佳化為第一指導原則,高密佈局確實有需要時才考慮極小封裝電阻(01005);
2.對於封裝選擇需要考慮成本和功率,還有中高壓場景的安規要求,確保中高壓場景(一般30V以上)封裝管腳間距滿足安規要求,另外一點是貼片廠的工藝能力,pin間距越小對貼片廠要求越高貼片成本響應也越高;
3.電阻值選型注意歸一化,減少備料種類,提高生產效率和庫存效率,一般依次優選E3,E12,E24電阻值;
4.電阻工作的(一段時間內)實際平均功率一般按50%以下進行降額,短時間瞬時功率可以允許接近100%;
5.0R電阻注意選擇合適的功率,一般按照50mR最大實際電阻值做功耗預估;
6.除錯用的電阻注意選擇方便除錯的偏大的封裝,例如測功耗串電阻用0402或者0603,便於飛線測電流。

二、要點說明
本文內容都是基於貼片電阻進行說明,其他種類的電阻視情況進行一定介紹說明。
貼片電阻是金屬玻璃鈾電阻器之一。 是將金屬粉和玻璃鈾粉混合,用絲網印刷法印刷在基板上的大功率貼片電阻器制的電阻器。耐潮溼,高溫,溫度係數小。表面組裝技術(SMT)的應用已十分普遍,採用SMT組裝的電子產品的比例已超過90%。我國從八十年代起開始應入SMT技術。伴隨著中小型SMT生產線裝置的開發設計,SMT的運用範疇在進一步擴張,航空公司、航空航天、儀表裝置、數控車床等行業也在選用SMT生產製造各種各樣大批次並不大的電子裝置或構件。

貼片電阻作為PCB板上不太值錢的一類物料,一般大家可能不太注意選型最佳化,但是目前01005封裝電阻的成本一般比除封裝外其他規格相同的0201或者0402的電阻要高1倍以上,筆者曾經見過同事copy主機板的原理圖到一個小FPC原理圖中,copy了大量01005封裝電阻,這意味著這部分電阻成本至少翻倍,然後除錯和維修的時候只有技術高超的維修工程師或硬體工程師才能執行,同時貼片的時候需要選擇和主機板同一工藝等級的貼片廠才能保證良率,很多貼片廠的吸盤都不支援01005封裝,貼片成本大概要增加70%。

另外就是選型時如果有意識注意減少電阻種類,PMC哥哥姐姐一定會愛死你了,減少備料提高單一物料用量也有助於採購策略最佳化。一般優選E3,E12,E24電阻值,E48/E96的部分常用值也可以納入考慮,例如4.99*10n,6.04*10n等。關於E3,E6,E12,E24電阻阻值列舉如下。
E3標準電阻系列:1、2.2、4.7
E6標準電阻系列:1、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8
E12標準電阻系列:1、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2
E24標準電阻系列:1、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2、2.2、2.4、2.7、3、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1

我們看一些強電單板設計經常會看到封裝都0603、0805、甚至1206以上,即便實際阻值很大功率極小,這裡通常是考慮安規的要求。根據IEC60664附錄表F.5的要求,對於爬電距離要求如下

而PCB業界的規範IPC-2221表6-1給出了更嚴格的約束要求。

這裡我們考慮貼片完成後焊盤之間透過FR4和空氣爬電的安規問題,採納B2組的值指導PCB設計。當電壓超過30V,一般需要做到封裝設計焊盤間距0.6mm以上,物料實際封裝焊盤的間距,還有走線鋪銅的安全距離規則也要達到0.6mm,這裡通常要選用0603以上封裝了。如果電壓等級更高,則需要更大的封裝以滿足更高的安全間距。在PCB疊層設計中也需要格外注意,疊層參考A5~A7組結果,筆者內部交流聽到過電池產品就出現擊穿FR4導致起火的案例,還是售後案例,給使用者帶來嚴重的財產損失和生命安全威脅。

另外電阻的功率通常被作為一個降額的點。但是筆者一般不太認可特別對阻容感特別嚴格的降額要求,消費類電子產品中阻容感的壽命遠長於IC類物料,即便降額百分比略高對產品影響也不大,特別是一些小尺寸空間做加熱的需求,按照比較嚴格的降額要求執行幾乎無法實現。比如IMU加熱,5V供電,要求1W左右功率,採用兩個51R/1206/0.5W功率的電阻正好合適,也不會佔用太大空間,考慮實際加熱都是PWM調製,雖然最大功率幾乎達到額定0.5W,降額100%,如果按照加熱演算法設定的最大80%佔空比計算,實際平均功耗降額80%。再比如CAN端接電阻120R,差分最大電壓為2V,則功率為1/30W,如果按照某公司50%功率降額得選用0603/0.1W封裝物料,而實際用0402/0.0625W,降額為53.28%,差異並不大。

關於電阻的精度問題,目前筆者接觸到的幾家公司都實現了1%精度電阻和5%精度電阻價格一致,也可能是因為歸一化到1%精度用量大了實現的成本最佳化。但是某公司對於0R和E3電阻仍然要求優先用5%精度匹配更優的成本策略。通常0R電阻精度意義不大,無論是標註1%精度還是標註5%精度的物料,都會宣告最大電阻不超過50mR。

最後一點關於電阻選型需要考慮除錯便利的問題,一般封裝越大焊接拆卸更方便,對於需要經常除錯的電阻,在空間允許的情況下儘量選擇較大的封裝。

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