脈沖負載能力之王——碳膜MELF電阻器的優(yōu)勢

引言

許多電子電路都會遇到高脈沖負載。有些應用經常出現這些條件，例如在脈沖寬度調制（PWM）器件中。在其他一些應用中，脈沖是偶發(fā)的，但也是不可避免的——源于電磁干擾信號（EMI）。由于電子元件的日益小型化或內在局限，其脈沖負載能力常常不足以承受這些脈沖負載，所以需要對它們進行保護。

無論脈沖負載是經常的還是偶發(fā)的，都需要使用防脈沖電阻器，而 MELF 電阻器由于其卓越的脈沖負載能力而特別適合這種應用——這是其獨特圓柱形設計帶來的一個顯著特性。除了標準的金屬膜技術，MELF 電阻器還有碳膜版本，可進一步加強其脈沖負載能力。最大外殼尺寸（0207）碳膜 MELF 的脈沖負載能力不僅在 MELF 電阻器中，而且在所有 SMD 膜電阻器中都是最高的，從而使之成為高脈沖負載應用的最佳選擇。

本文可幫助設計工程師通過確定需要考慮的脈沖屬性（如功率、持續(xù)時間和形狀）來為保護功能選擇最佳電阻器。為此，本文探索了脈沖對電阻器的影響和決定電阻器脈沖負載能力的因素，并舉例說明了碳膜MELF電阻器的優(yōu)勢。

應用要求和優(yōu)點

PWM器件

PWM是一種非常常見的應用，它用于各種汽車、工業(yè)和替代能源應用，包括用于亮度控制的LED驅動器；使輸出電壓和頻率匹配3相AC驅動裝置的變頻器；以及用于速度調節(jié)的DC電動機驅動器。

圖1所示為DC電動機驅動器電路。其中，PWM通過以H橋分布的四個MOSFET的頻繁開關來實現。電動機電壓于是由開關頻率及開關速度決定，開關速度則由柵極電阻器控制。盡管快速開關由于開關損耗低而更為有利，但會引起有害EMI信號或電路振鈴。由于柵極電阻器會遇到 PWM脈沖，所以必須有充足的脈沖負載能力。

圖1:帶有MOSFET柵極驅動器電路的PWM DC電動機驅動器，包括柵極電阻器RG。

偶發(fā)脈沖負載

電子電路中對脈沖負載敏感的元件可通過集成專用子電路加以保護。這些子電路通常起旁路或負載吸收器的作用，并帶有從平滑電容器到電壓抑制二極管的各種元件。但常見元件是耐脈沖電阻器，插入之后用于吸收脈沖能量，或將對脈沖敏感的元件上的脈沖電壓降至無危險水平。偶發(fā)脈沖的來源是電網或電磁場攜帶的EMI信號，包括由開關動作引起的寬帶突發(fā)脈沖、由閃電造成的浪涌脈沖以及ESD。

使用RC-緩沖器電路可防止電磁場攜帶的EMI信號造成電系統(tǒng)中的突發(fā)脈沖或振鈴效應。這些電路對開關器件上的電壓上升具有衰減效應，并可散發(fā)諧振電路的能量。

圖2:浪涌脈沖保護電路。

幾乎每一種電子應用都會潛在地直接或間接暴露于雷擊，導致電子電路承受浪涌脈沖負載。浪涌脈沖為高能脈沖，電壓可達幾千伏。使用圖2所示的電路可防止靈敏元件受浪涌脈沖影響。為此需要使用瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管把浪涌脈沖負載從應用電路去除，并將其電壓穩(wěn)定于可接受的水平。電阻器在這里的功能是調節(jié)二極管電流。

選擇用于上述應用的高脈沖負載能力電阻器時必須慎重。為此必須考慮一般應用要求，如電阻器的公差和溫度系數。最后，關鍵因素是其脈沖負載能力，其必須足以承受最高預期脈沖負載。

由于這一復雜性，我們將用兩個例子來說明如何通過估計脈沖負載來選擇合適電阻器：


? 電動機驅動器中的柵極電阻器（圖1）

? 浪涌脈沖保護電路中的保護電阻器（圖2）

在轉向第5部分中的這兩個例子之前，我們先來討論決定各類電阻器的脈沖負載能力的因素。

脈沖負載對電阻器的影響

電阻器的脈沖負載能力由其散發(fā)脈沖能量的能力決定。這取決于許多電阻器屬性，特別是其幾何外形、所使用的微調圖案及電阻膜材料。

熱能和脈沖持續(xù)時間

在電阻層中，脈沖能量通過電損耗轉換為熱。所產生的熱量取決于脈沖能量，并造成電阻器溫度上升。

對于持續(xù)時間非常短的脈沖，所產生的熱累積在電阻膜中。如果電阻膜材料是均質的，則這些熱呈均勻分布。但是，電阻器會在膜過熱時受損。隨著脈沖持續(xù)時間增加，散發(fā)的熱量取決于電阻器的傳熱能力。最后，負載可能被視為連續(xù)的且容許脈沖負載接近額定散熱量。

另外，重復性脈沖會使電阻膜無法完全冷卻，導致溫度累升。這種效應使電阻器對連續(xù)脈沖串負載的承受能力低于對單發(fā)脈沖的承受能力。

有效電阻膜面積和微調圖案

圖3:厚膜片式、薄膜片式及薄膜MELF電阻器的微調圖案和有效電阻膜面積。

實際上，只有電流流動的地方才會產生熱。通常，用于阻值微調的微調圖案切入電阻膜。這個圖案定義了電流路徑并因此減小了有效電阻面積。圖3顯示了圖案示意圖和由此產生的SMD膜電阻器的有效電阻面積。

厚膜片式電阻器

首先考慮具有簡單的L形切入微調圖案的厚膜片式電阻器。如圖4所示，該圖案會減小有效面積和產生局部熱點。

圖4:厚膜和薄膜片式電阻器中的熱分布示意圖

薄膜片式電阻器

相比之下，精心設計的薄膜片式電阻器曲折切入（meander cut）微調圖案有助于電流和熱在電阻膜中均勻分布。此外，得到有效利用的膜面積也明顯增加。但這種圖案有一個限制因素，這就是會出現電流流動轉折點，導致此處局部電流密度增加，如圖5所示 。

這種情況同樣會出現局部過熱，在最壞情況下可導致電阻膜材料蒸發(fā)和隨后的電阻器裂口。

圖5 :薄膜片式電阻器曲折切入微調圖案情況下的電流密度分布示意圖。箭頭所示為電流方向。

薄膜MELF電阻器

薄膜MELF電阻器設計實現了均勻的微調圖案和大有效電阻面積。其圓柱形狀支持沒有轉折點的螺旋形圖案，如圖6所示。此外，有效膜面積實現?倍增加，使之成為同類外殼尺寸下迄今最大的SMD膜電阻器。

圖6 :MELF電阻器的螺旋微調圖案示意圖

電阻膜材料

由于上文提到的效應首先導致膜溫度增加，所以電阻器的脈沖負載能力與所選膜材料密切相關。厚膜技術使用的是對熱應力非常敏感的混合金屬/金屬氧化物/玻璃膏，導致厚膜電阻器的有限脈沖負載能力進一步減小。相比之下，薄膜技術常用的均勻金屬合金膜具有高得多的脈沖負載能力。但兩者的熱穩(wěn)定性均無法與碳膜技術相比，后者的升華點（~ 3900 K）在所有元件中最高。 這種不同尋常的特性使碳膜MELF電阻器對高脈沖負載產生的熱效應具有最佳承受力。

除了電阻器幾何形狀和膜材料以外，其他生產相關因素（如整潔的切邊；膜與陶瓷襯底之間的良好黏合，以促進導熱；或者其他電阻器材料（如陶瓷襯底）的熱性質）也可能對電阻器的脈沖負載能力有很大影響。因此，高質量制造和電阻器組成要素的良好匹配變得非常重要。

總之，決定SMD電阻器脈沖負載能力的最重要因素是電阻層的有效面積，使電流能夠均勻流動的微調圖案，以及具有高熱穩(wěn)定性的電阻膜材料。在碳膜MELF電阻器中，這些因素都適合幫助產生最佳脈沖負載能力。

SMD膜電阻器的脈沖負載能力

圖7提供了標準厚膜片式電阻器以及具有類似外殼尺寸（1206 / 0204）的先進厚膜片式、薄膜片式及薄膜MELF電阻器和0207外殼尺寸碳膜MELF電阻器的破壞性脈沖負載限值。

標準厚膜片式電阻器的破壞性脈沖負載限值相當低，僅為35 W。這是上文描述的有關脈沖負載能力的技術缺陷（亦即有效面積小，微調圖案會產生熱點）的直接后果。相比之下 ，先進厚膜片式電阻器的破壞限值高出50%以上。優(yōu)化的厚膜設計省略了微調，或者通過在電阻器頂側和底側涂敷經過微調的膜使電阻面積加倍。破壞性脈沖負載限值在這兩種情況下都得到顯著改善。在后一種設計下甚至超過了薄膜片式電阻器的限值——與標準厚膜技術相比，薄膜片式電阻器的脈沖負載能力大大受益于先進的微調圖案、有效面積增加以及均勻膜材料的更佳熱穩(wěn)定性。不過，圓柱形MELF電阻器設計使其破壞限值又增加了70%，從而表現出明顯的優(yōu)勢。但在具有相同外殼尺寸的所有SMD器件中，碳膜MELF電阻器可承受? 500 W的最高脈沖負載。

考慮碳膜MELF的最大外殼尺寸0207和自然較大的有效膜面積，其破壞性脈沖負載限值增至2 kW——比厚膜電阻器的限值大一個數量級還多。這一無可比擬的脈沖負載能力使碳膜MELF成為適合高脈沖負載應用的SMD之王。

圖7:低標準厚膜電阻器和采用不同技術的先進電阻器的典型破壞性脈沖負載限值（R = 1 kΩ）。通過電容器放電施以脈沖，脈沖長度與3 ms矩形脈沖一致。

確定脈沖負載應用中的電阻器的尺寸

最后，我們使用第2部分的兩個例子（電動機驅動器應用中的柵極驅動器電路和浪涌脈沖保護）說明如何為高脈沖負載應用選擇合適的電阻器。

PWM器件：柵極驅動器電路

在這個例子中，我們討論圖1所示的電動機驅動器。電動機速度通過PWM調節(jié)，PWM通過MOSFET的頻繁開關來實現。使用柵極電阻器控制MOSFET的開關速度。由于該電阻器同樣暴露于脈沖，所以其必須具有高脈沖負載能力。

盡管經常使用不同的柵極電阻器來分別調整on / off開關速度，但為簡單起見，這里我們只考慮一個柵極電阻器（RG）的情況。

MOSFET的開關要求用柵極電荷量QG為其柵極電容器再充電，這可通過施加驅動電壓UD實現。這個過程（遵循由時間常數 ? 描述的指數行為）決定了開關速度。偏壓由充（放）電電流i = dQG / dt施加，該電流則由柵極電阻器控制。因此，柵極電阻由預期開關持續(xù)時間定義。我們的例子采用工作頻率f = 17 kHz的電動機。選擇柵極電荷量QG = 2 μC的MOSFET，并由UD = 20 V驅動。指數開關脈沖的持續(xù)時間應為? = 200 ns。

元件的選擇

●為定義開關持續(xù)時間，需要將電阻設置為

●需要估計電阻器上的電力負載。PWM產生連續(xù)脈沖串。因此，電阻器暴露于連續(xù)脈沖及平均功率。

●平均功率由柵極電容器在每個on / off開關過程中釋放的能含量WG及開關頻率決定：

它等于連續(xù)工作條件下電阻器上的電負載。在產品數據表中，容許限值規(guī)定為額定耗散P70。對比上面考慮的SMD電阻器的P70表明，只有額定耗散為1 W的最大外殼尺寸（0207）金屬和碳膜MELF電阻器能夠承受該平均功率。

圖8: 0207外殼尺寸碳膜MELF電阻器的連續(xù)脈沖負載示意圖。容許脈沖負載 P ?max是脈沖持續(xù)時間ti的函數。

●每個脈沖的功率由柵極電容器的能含量WG及開關脈沖長度?決定：

電阻器產品數據表規(guī)定了針對連續(xù)脈沖串的脈沖負載能力。這可在連續(xù)脈沖示意圖中找到，圖8所示為碳膜MELF電阻器的示意圖。

該示意圖考慮的是矩形脈沖。因此，若要進行比較，必須將我們的指數脈沖轉換為具有相等能含量的矩形脈沖，從而導致脈沖長度出現t_r= t/ 2的變化。因此，在脈沖負載示意圖中，我們需要與脈沖持續(xù)時間t_r = 100 ns進行比較。對規(guī)定容許脈沖負載的驗證表明，碳膜MELF電阻器可滿足所有要求。

該電動機驅動器應用中使用的用于調節(jié)MOSFET開關速度的柵極電阻器持續(xù)暴露于脈沖。因此所選擇的電阻器絕不能僅滿足脈沖負載要求，還要承受由此產生的平均電能。同樣，由于具有出色的脈沖負載能力，只有碳膜MELF電阻器適合該應用。由于其脈沖負載能力遠高于需要，所以它允許使用具有更大柵極電荷量的MOSFET或縮短開關時間。

偶發(fā)脈沖負載：浪涌脈沖保護

在這個例子（參見圖2）中，我們考慮了具有RIN = 10 k?輸入電阻的24V應用。另外還假設該應用可容忍高達38 V的電壓變化。但是，它必須防止較大電壓的任何浪涌脈沖。在這里，這是通過經由TVS二極管來轉移脈沖負載而實現的。對于我們的估計，我們假設我們想使應用防止"U" ?" = 1 k" "V" 的浪涌脈沖。

由于電路板的空間限制，應當使用盡可能小的TVS二極管。但這會限制其峰值脈沖功率能力。因此需要使用保護電阻器來限制二極管電流。這些元件的選擇必須使應用電路的輸入電壓限于UO = 38 V，且不超出兩個元件的容許功率/電壓負載。

元件的選擇

●必須平衡電阻R_P，使其能夠適當地限制二極管電流，但又不影響應用電路的正常工作。由于它同時代表分壓器和輸入電阻，所以必須選擇非常小的值，如R_P= 0.02 x R_IN= 200 Ω。

●于是，浪涌條件下的峰值二極管電流被該電阻器限制到 "I" ?_"D" "≈" "U" ?_"D" ?("R" _"P" "=5 A" )，忽略了非常小的二極管電壓。

根據應用的規(guī)范選擇二極管：    

○反向箝位電壓約為38 V，以相應地限制UO。    

○擊穿電壓略高于24 V，使其在正常條件不導電。    

○峰值脈沖功率能力大于該應用中二極管上的最大峰值功率負載。"P"  ?"= " "I"  ?_"D"  " x " "U" _"O"  "=190" "W" 。    

●最后，200Ω電阻器必須能夠承受1 kV浪涌脈沖。該信息可在電阻器產品數據表的1.2 / 50脈沖示意圖上找到。圖9所示為碳膜MELF電阻器的對應示意圖。

比較各類電阻器對1.2 / 50脈沖的容許脈沖電壓可知，只有碳膜MELF電阻器可提供針對該阻值的合適限值：1.2 kV。

圖9:碳膜MELF電阻器的1.2 / 50脈沖示意圖。給定的脈沖電壓對應于± (0.5 % R + 0.05 ?)的容許電阻變化。紅色標記為應用要求。

總結
脈沖和脈沖保護應用中的高峰值功率要求SMD電阻器具有充分的高脈沖負載能力。SMD電阻器在脈沖負載下失效的原因是短時間內器件中聚集了大量的熱。先進碳膜MELF電阻器的設計特地結合了針對高脈沖負載能力的最重要特性：



●經過驗證的耐脈沖圓柱形設計，提供最大有效電阻膜面積

●螺旋形微調圖案，避免局部電流密度增強

●碳膜材料及其無可比擬的熱穩(wěn)定性

最大外殼尺寸（0207）碳膜MELF電阻器是SMD器件中的脈沖負載能力之王。其性能比同類外殼尺寸的電阻器高一個數量級以上。