作者: Joachim von der Ohe

應用市場經理

BC Components公司

了解電阻可能會遇到的瞬態脈沖類型非常重要,它有助于選擇正確的功率等級,那些僅基于正常DC功率等級的計算常會導致電阻元件的故障。

雖然許多設計師采取了大量措施使IC免受靜電放電或浪涌電流的破壞,但他們也許沒有意識到這樣的瞬態脈沖信號也會損壞電阻器件。許多電阻常集中放置在可能會產生瞬態脈沖信號的場合,如靠近電源的地方,而且現在大量使用的微型表面貼裝電阻的散熱面積很小,使它們不能在吸收高能量脈沖的同時免遭損壞。即使瞬態脈沖信號沒有對電阻造成永久性損壞,電阻歐姆值也會有不同程度的改變。

事實上,包括BC Components公司生產的電阻在內的所有金屬膜柱狀電阻現在都是采用高鋁質陶瓷基底制造,這些基底都具有很高的導熱性能。這種結構能使熱量較容易地傳送到電阻兩端并傳導到印制板,因此與傳統電阻相比,這些電阻的熱聚集(hot-spots)不明顯,熱量散發得更加均衡。對于給定的熱聚集溫度來說,相當于提高了電阻的整體功率等級。因此,現在已經可以用精確線繞電阻來制造具有連續功率等級的微型電阻,有些功率等級可能比預計的要高。

然而由時間非常短的瞬態脈沖信號產生的熱量卻不能足夠快地散發到基底上,因此容易形成能熔化繞線材料的熱聚集。為了預知何時何地會產生這樣的熱聚集,需要建立比傳統“理想電阻層”模型復雜得多的電阻模型。比如等效電路模型必須考慮電阻層固有的不一致性以及電阻材料激光調節端點上的場強。

這種更復雜的模型允許根據脈沖周期確定多種不同類型的熱聚集現象。它們能方便地劃分成4個不同的區域,如圖1所示。

區域1中很短的脈沖周期通常是靜電放電(ESD)或閃電雷擊形成的瞬態脈沖周期,此時所有的熱量將保留在電阻層中,熱量沒有足夠的時間滲透到陶瓷框架或外部保護涂層。對于柱狀電阻,這種瞬態脈沖峰值Ppeak正比于d/ti,d代表繞線層厚度,ti代表脈沖寬度。

當脈沖周期在1us到10ms之間(圖1中的區域2)時,熱聚集上產生的熱量可以滲透到柱狀基底但沒有足夠時間沿著基底傳播。放電脈沖是典型實例,此時Ppeak正比于1/√ti。

當脈沖寬度在10ms到1s之間(圖1中的區域3)時,熱量有足夠的時間滲透到基底并沿著基底散發,此時Ppeak正比于1/ti。

脈沖時間更長的情形接近正常DC負載斷開時的情形(圖1中的區域4)。

因此了解電阻可能遇到的瞬態脈沖類型非常重要,它有助于選擇正確的功率等級,那些僅基于正常DC功率等級的計算常會導致電阻的故障。

除了薄膜電阻螺旋狀繞線的不一致性以外,當螺旋狀繞線到達螺旋環終點時仍會有潛在的故障發生點。這些點上聚集的大量電流所導致的不均勻電流密度也會產生熱聚集現象。這種效應同樣會發生在采用曲線方式以延長繞線長度的薄膜芯片電阻上,除此之外,在曲線改變方向的任何點上都會產生由電流聚集引起的電阻熱聚集,通過認真選擇曲線的半徑可以減小甚至消除這些電流聚集效應,然而不同的廠商一般會采用不同的曲線形狀,這就意味著其它等效電阻(DC特性方面的描述)在相同脈沖電壓下可能會有不同的壽命。

厚膜電阻

厚膜電阻脈沖性能的預測比薄膜電阻困難,因為厚膜材料中電流流動存在固有的不一致性,制造工藝的特性存在不確定性,因此,這種電阻的公開曲線通常是通過直接測試得到。與傳統電阻一樣,熱能集中在激光凹槽的末端,激光切割類型會影響熱性能。例如,L型切割時在這些點的熔化熱量要比1字型切割低。激光調整的影響非常大,經激光調整過的電阻的脈沖負載能力可能只有未調整電阻的三分之一或四分之一。一般來說厚膜電阻的脈沖負載能力要比柱狀電阻低。