★★★ Resistor-3---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?xún)?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)牟考踩菀资軣嵊绊憽?em>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?,?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?xún)?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,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?xún)?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?xún)?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?,將可能?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?xún)?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。
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