由瞬态脉冲引起的微型电阻故障

本文描述了电路中微型电阻可能会遇到的瞬态脉冲造成的故障。

作者: Joachim von der Ohe

应用市场经理

BC Components公司

了解电阻可能会遇到的瞬态脉冲类型非常重要,它有助于选择正确的功率等级,那些仅基于正常DC功率等级的计算常会导致电阻元件的故障。

虽然许多设计师采取了大量措施使IC免受静电放电或浪涌电流的破坏,但他们也许没有意识到这样的瞬态脉冲信号也会损坏电阻器件。许多电阻常集中放置在可能会产生瞬态脉冲信号的场合,如靠近电源的地方,而且现在大量使用的微型表面贴装电阻的散热面积很小,使它们不能在吸收高能量脉冲的同时免遭损坏。即使瞬态脉冲信号没有对电阻造成永久性损坏,电阻欧姆值也会有不同程度的改变。

事实上,包括BC Components公司生产的电阻在内的所有金属膜柱状电阻现在都是采用高铝质陶瓷基底制造,这些基底都具有很高的导热性能。这种结构能使热量较容易地传送到电阻两端并传导到印制板,因此与传统电阻相比,这些电阻的热聚集(hot-spots)不明显,热量散发得更加均衡。对于给定的热聚集温度来说,相当于提高了电阻的整体功率等级。因此,现在已经可以用精确线绕电阻来制造具有连续功率等级的微型电阻,有些功率等级可能比预计的要高。

然而由时间非常短的瞬态脉冲信号产生的热量却不能足够快地散发到基底上,因此容易形成能熔化绕线材料的热聚集。为了预知何时何地会产生这样的热聚集,需要建立比传统“理想电阻层”模型复杂得多的电阻模型。比如等效电路模型必须考虑电阻层固有的不一致性以及电阻材料激光调节端点上的场强。

这种更复杂的模型允许根据脉冲周期确定多种不同类型的热聚集现象。它们能方便地划分成4个不同的区域,如图1所示。

区域1中很短的脉冲周期通常是静电放电(ESD)或闪电雷击形成的瞬态脉冲周期,此时所有的热量将保留在电阻层中,热量没有足够的时间渗透到陶瓷框架或外部保护涂层。对于柱状电阻,这种瞬态脉冲峰值Ppeak正比于d/ti,d代表绕线层厚度,ti代表脉冲宽度。

当脉冲周期在1us到10ms之间(图1中的区域2)时,热聚集上产生的热量可以渗透到柱状基底但没有足够时间沿着基底传播。放电脉冲是典型实例,此时Ppeak正比于1/√ti。

当脉冲宽度在10ms到1s之间(图1中的区域3)时,热量有足够的时间渗透到基底并沿着基底散发,此时Ppeak正比于1/ti。

脉冲时间更长的情形接近正常DC负载断开时的情形(图1中的区域4)。

因此了解电阻可能遇到的瞬态脉冲类型非常重要,它有助于选择正确的功率等级,那些仅基于正常DC功率等级的计算常会导致电阻的故障。

除了薄膜电阻螺旋状绕线的不一致性以外,当螺旋状绕线到达螺旋环终点时仍会有潜在的故障发生点。这些点上聚集的大量电流所导致的不均匀电流密度也会产生热聚集现象。这种效应同样会发生在采用曲线方式以延长绕线长度的薄膜芯片电阻上,除此之外,在曲线改变方向的任何点上都会产生由电流聚集引起的电阻热聚集,通过认真选择曲线的半径可以减小甚至消除这些电流聚集效应,然而不同的厂商一般会采用不同的曲线形状,这就意味着其它等效电阻(DC特性方面的描述)在相同脉冲电压下可能会有不同的寿命。

厚膜电阻

厚膜电阻脉冲性能的预测比薄膜电阻困难,因为厚膜材料中电流流动存在固有的不一致性,制造工艺的特性存在不确定性,因此,这种电阻的公开曲线通常是通过直接测试得到。与传统电阻一样,热能集中在激光凹槽的末端,激光切割类型会影响热性能。例如,L型切割时在这些点的熔化热量要比1字型切割低。激光调整的影响非常大,经激光调整过的电阻的脉冲负载能力可能只有未调整电阻的三分之一或四分之一。一般来说厚膜电阻的脉冲负载能力要比柱状电阻低。