脉冲负载能力之王——碳膜MELF电阻器的优势

引言

许多电子电路都会遇到高脉冲负载。有些应用经常出现这些条件，例如在脉冲宽度调制（PWM）器件中。在其他一些应用中，脉冲是偶发的，但也是不可避免的——源于电磁干扰信号（EMI）。由于电子元件的日益小型化或内在局限，其脉冲负载能力常常不足以承受这些脉冲负载，所以需要对它们进行保护。

无论脉冲负载是经常的还是偶发的，都需要使用防脉冲电阻器，而 MELF 电阻器由于其卓越的脉冲负载能力而特别适合这种应用——这是其独特圆柱形设计带来的一个显著特性。除了标准的金属膜技术，MELF 电阻器还有碳膜版本，可进一步加强其脉冲负载能力。最大外壳尺寸（0207）碳膜 MELF 的脉冲负载能力不仅在 MELF 电阻器中，而且在所有 SMD 膜电阻器中都是最高的，从而使之成为高脉冲负载应用的最佳选择。

本文可帮助设计工程师通过确定需要考虑的脉冲属性（如功率、持续时间和形状）来为保护功能选择最佳电阻器。为此，本文探索了脉冲对电阻器的影响和决定电阻器脉冲负载能力的因素，并举例说明了碳膜MELF电阻器的优势。

应用要求和优点

PWM器件

PWM是一种非常常见的应用，它用于各种汽车、工业和替代能源应用，包括用于亮度控制的LED驱动器；使输出电压和频率匹配3相AC驱动装置的变频器；以及用于速度调节的DC电动机驱动器。

图1所示为DC电动机驱动器电路。其中，PWM通过以H桥分布的四个MOSFET的频繁开关来实现。电动机电压于是由开关频率及开关速度决定，开关速度则由栅极电阻器控制。尽管快速开关由于开关损耗低而更为有利，但会引起有害EMI信号或电路振铃。由于栅极电阻器会遇到 PWM脉冲，所以必须有充足的脉冲负载能力。

图1:带有MOSFET栅极驱动器电路的PWM DC电动机驱动器，包括栅极电阻器RG。

偶发脉冲负载

电子电路中对脉冲负载敏感的元件可通过集成专用子电路加以保护。这些子电路通常起旁路或负载吸收器的作用，并带有从平滑电容器到电压抑制二极管的各种元件。但常见元件是耐脉冲电阻器，插入之后用于吸收脉冲能量，或将对脉冲敏感的元件上的脉冲电压降至无危险水平。偶发脉冲的来源是电网或电磁场携带的EMI信号，包括由开关动作引起的宽带突发脉冲、由闪电造成的浪涌脉冲以及ESD。

使用RC-缓冲器电路可防止电磁场携带的EMI信号造成电系统中的突发脉冲或振铃效应。这些电路对开关器件上的电压上升具有衰减效应，并可散发谐振电路的能量。

图2:浪涌脉冲保护电路。

几乎每一种电子应用都会潜在地直接或间接暴露于雷击，导致电子电路承受浪涌脉冲负载。浪涌脉冲为高能脉冲，电压可达几千伏。使用图2所示的电路可防止灵敏元件受浪涌脉冲影响。为此需要使用瞬态电压抑制（TVS）二极管把浪涌脉冲负载从应用电路去除，并将其电压稳定于可接受的水平。电阻器在这里的功能是调节二极管电流。

选择用于上述应用的高脉冲负载能力电阻器时必须慎重。为此必须考虑一般应用要求，如电阻器的公差和温度系数。最后，关键因素是其脉冲负载能力，其必须足以承受最高预期脉冲负载。

由于这一复杂性，我们将用两个例子来说明如何通过估计脉冲负载来选择合适电阻器：


• 电动机驱动器中的栅极电阻器（图1）

• 浪涌脉冲保护电路中的保护电阻器（图2）

在转向第5部分中的这两个例子之前，我们先来讨论决定各类电阻器的脉冲负载能力的因素。

脉冲负载对电阻器的影响

电阻器的脉冲负载能力由其散发脉冲能量的能力决定。这取决于许多电阻器属性，特别是其几何外形、所使用的微调图案及电阻膜材料。

热能和脉冲持续时间

在电阻层中，脉冲能量通过电损耗转换为热。所产生的热量取决于脉冲能量，并造成电阻器温度上升。

对于持续时间非常短的脉冲，所产生的热累积在电阻膜中。如果电阻膜材料是均质的，则这些热呈均匀分布。但是，电阻器会在膜过热时受损。随着脉冲持续时间增加，散发的热量取决于电阻器的传热能力。最后，负载可能被视为连续的且容许脉冲负载接近额定散热量。

另外，重复性脉冲会使电阻膜无法完全冷却，导致温度累升。这种效应使电阻器对连续脉冲串负载的承受能力低于对单发脉冲的承受能力。

有效电阻膜面积和微调图案

图3:厚膜片式、薄膜片式及薄膜MELF电阻器的微调图案和有效电阻膜面积。

实际上，只有电流流动的地方才会产生热。通常，用于阻值微调的微调图案切入电阻膜。这个图案定义了电流路径并因此减小了有效电阻面积。图3显示了图案示意图和由此产生的SMD膜电阻器的有效电阻面积。

厚膜片式电阻器

首先考虑具有简单的L形切入微调图案的厚膜片式电阻器。如图4所示，该图案会减小有效面积和产生局部热点。

图4:厚膜和薄膜片式电阻器中的热分布示意图

薄膜片式电阻器

相比之下，精心设计的薄膜片式电阻器曲折切入（meander cut）微调图案有助于电流和热在电阻膜中均匀分布。此外，得到有效利用的膜面积也明显增加。但这种图案有一个限制因素，这就是会出现电流流动转折点，导致此处局部电流密度增加，如图5所示 。

这种情况同样会出现局部过热，在最坏情况下可导致电阻膜材料蒸发和随后的电阻器裂口。

图5 :薄膜片式电阻器曲折切入微调图案情况下的电流密度分布示意图。箭头所示为电流方向。

薄膜MELF电阻器

薄膜MELF电阻器设计实现了均匀的微调图案和大有效电阻面积。其圆柱形状支持没有转折点的螺旋形图案，如图6所示。此外，有效膜面积实现倍增加，使之成为同类外壳尺寸下迄今最大的SMD膜电阻器。

图6 :MELF电阻器的螺旋微调图案示意图

电阻膜材料

由于上文提到的效应首先导致膜温度增加，所以电阻器的脉冲负载能力与所选膜材料密切相关。厚膜技术使用的是对热应力非常敏感的混合金属/金属氧化物/玻璃膏，导致厚膜电阻器的有限脉冲负载能力进一步减小。相比之下，薄膜技术常用的均匀金属合金膜具有高得多的脉冲负载能力。但两者的热稳定性均无法与碳膜技术相比，后者的升华点（~ 3900 K）在所有元件中最高。 这种不同寻常的特性使碳膜MELF电阻器对高脉冲负载产生的热效应具有最佳承受力。

除了电阻器几何形状和膜材料以外，其他生产相关因素（如整洁的切边；膜与陶瓷衬底之间的良好黏合，以促进导热；或者其他电阻器材料（如陶瓷衬底）的热性质）也可能对电阻器的脉冲负载能力有很大影响。因此，高质量制造和电阻器组成要素的良好匹配变得非常重要。

总之，决定SMD电阻器脉冲负载能力的最重要因素是电阻层的有效面积，使电流能够均匀流动的微调图案，以及具有高热稳定性的电阻膜材料。在碳膜MELF电阻器中，这些因素都适合帮助产生最佳脉冲负载能力。

SMD膜电阻器的脉冲负载能力

图7提供了标准厚膜片式电阻器以及具有类似外壳尺寸（1206 / 0204）的先进厚膜片式、薄膜片式及薄膜MELF电阻器和0207外壳尺寸碳膜MELF电阻器的破坏性脉冲负载限值。

标准厚膜片式电阻器的破坏性脉冲负载限值相当低，仅为35 W。这是上文描述的有关脉冲负载能力的技术缺陷（亦即有效面积小，微调图案会产生热点）的直接后果。相比之下 ，先进厚膜片式电阻器的破坏限值高出50%以上。优化的厚膜设计省略了微调，或者通过在电阻器顶侧和底侧涂敷经过微调的膜使电阻面积加倍。破坏性脉冲负载限值在这两种情况下都得到显著改善。在后一种设计下甚至超过了薄膜片式电阻器的限值——与标准厚膜技术相比，薄膜片式电阻器的脉冲负载能力大大受益于先进的微调图案、有效面积增加以及均匀膜材料的更佳热稳定性。不过，圆柱形MELF电阻器设计使其破坏限值又增加了70%，从而表现出明显的优势。但在具有相同外壳尺寸的所有SMD器件中，碳膜MELF电阻器可承受 500 W的最高脉冲负载。

考虑碳膜MELF的最大外壳尺寸0207和自然较大的有效膜面积，其破坏性脉冲负载限值增至2 kW——比厚膜电阻器的限值大一个数量级还多。这一无可比拟的脉冲负载能力使碳膜MELF成为适合高脉冲负载应用的SMD之王。

图7:低标准厚膜电阻器和采用不同技术的先进电阻器的典型破坏性脉冲负载限值（R = 1 kΩ）。通过电容器放电施以脉冲，脉冲长度与3 ms矩形脉冲一致。

确定脉冲负载应用中的电阻器的尺寸

最后，我们使用第2部分的两个例子（电动机驱动器应用中的栅极驱动器电路和浪涌脉冲保护）说明如何为高脉冲负载应用选择合适的电阻器。

PWM器件：栅极驱动器电路

在这个例子中，我们讨论图1所示的电动机驱动器。电动机速度通过PWM调节，PWM通过MOSFET的频繁开关来实现。使用栅极电阻器控制MOSFET的开关速度。由于该电阻器同样暴露于脉冲，所以其必须具有高脉冲负载能力。

尽管经常使用不同的栅极电阻器来分别调整on / off开关速度，但为简单起见，这里我们只考虑一个栅极电阻器（RG）的情况。

MOSFET的开关要求用栅极电荷量QG为其栅极电容器再充电，这可通过施加驱动电压UD实现。这个过程（遵循由时间常数  描述的指数行为）决定了开关速度。偏压由充（放）电电流i = dQG / dt施加，该电流则由栅极电阻器控制。因此，栅极电阻由预期开关持续时间定义。我们的例子采用工作频率f = 17 kHz的电动机。选择栅极电荷量QG = 2 μC的MOSFET，并由UD = 20 V驱动。指数开关脉冲的持续时间应为 = 200 ns。

元件的选择

●为定义开关持续时间，需要将电阻设置为

●需要估计电阻器上的电力负载。PWM产生连续脉冲串。因此，电阻器暴露于连续脉冲及平均功率。

●平均功率由栅极电容器在每个on / off开关过程中释放的能含量WG及开关频率决定：

它等于连续工作条件下电阻器上的电负载。在产品数据表中，容许限值规定为额定耗散P70。对比上面考虑的SMD电阻器的P70表明，只有额定耗散为1 W的最大外壳尺寸（0207）金属和碳膜MELF电阻器能够承受该平均功率。

图8: 0207外壳尺寸碳膜MELF电阻器的连续脉冲负载示意图。容许脉冲负载 P ̂max是脉冲持续时间ti的函数。

●每个脉冲的功率由栅极电容器的能含量WG及开关脉冲长度决定：

电阻器产品数据表规定了针对连续脉冲串的脉冲负载能力。这可在连续脉冲示意图中找到，图8所示为碳膜MELF电阻器的示意图。

该示意图考虑的是矩形脉冲。因此，若要进行比较，必须将我们的指数脉冲转换为具有相等能含量的矩形脉冲，从而导致脉冲长度出现t_r= t/ 2的变化。因此，在脉冲负载示意图中，我们需要与脉冲持续时间t_r = 100 ns进行比较。对规定容许脉冲负载的验证表明，碳膜MELF电阻器可满足所有要求。

该电动机驱动器应用中使用的用于调节MOSFET开关速度的栅极电阻器持续暴露于脉冲。因此所选择的电阻器绝不能仅满足脉冲负载要求，还要承受由此产生的平均电能。同样，由于具有出色的脉冲负载能力，只有碳膜MELF电阻器适合该应用。由于其脉冲负载能力远高于需要，所以它允许使用具有更大栅极电荷量的MOSFET或缩短开关时间。

偶发脉冲负载：浪涌脉冲保护

在这个例子（参见图2）中，我们考虑了具有RIN = 10 k输入电阻的24V应用。另外还假设该应用可容忍高达38 V的电压变化。但是，它必须防止较大电压的任何浪涌脉冲。在这里，这是通过经由TVS二极管来转移脉冲负载而实现的。对于我们的估计，我们假设我们想使应用防止"U" ̂" = 1 k" "V" 的浪涌脉冲。

由于电路板的空间限制，应当使用尽可能小的TVS二极管。但这会限制其峰值脉冲功率能力。因此需要使用保护电阻器来限制二极管电流。这些元件的选择必须使应用电路的输入电压限于UO = 38 V，且不超出两个元件的容许功率/电压负载。

元件的选择

●必须平衡电阻R_P，使其能够适当地限制二极管电流，但又不影响应用电路的正常工作。由于它同时代表分压器和输入电阻，所以必须选择非常小的值，如R_P= 0.02 x R_IN= 200 Ω。

●于是，浪涌条件下的峰值二极管电流被该电阻器限制到 "I" ̂_"D" "≈" "U" ̂_"D" ⁄("R" _"P" "=5 A" )，忽略了非常小的二极管电压。

根据应用的规范选择二极管：    

○反向箝位电压约为38 V，以相应地限制UO。    

○击穿电压略高于24 V，使其在正常条件不导电。    

○峰值脉冲功率能力大于该应用中二极管上的最大峰值功率负载。"P"  ̂"= " "I"  ̂_"D"  " x " "U" _"O"  "=190" "W" 。    

●最后，200Ω电阻器必须能够承受1 kV浪涌脉冲。该信息可在电阻器产品数据表的1.2 / 50脉冲示意图上找到。图9所示为碳膜MELF电阻器的对应示意图。

比较各类电阻器对1.2 / 50脉冲的容许脉冲电压可知，只有碳膜MELF电阻器可提供针对该阻值的合适限值：1.2 kV。

图9:碳膜MELF电阻器的1.2 / 50脉冲示意图。给定的脉冲电压对应于± (0.5 % R + 0.05 )的容许电阻变化。红色标记为应用要求。

总结
脉冲和脉冲保护应用中的高峰值功率要求SMD电阻器具有充分的高脉冲负载能力。SMD电阻器在脉冲负载下失效的原因是短时间内器件中聚集了大量的热。先进碳膜MELF电阻器的设计特地结合了针对高脉冲负载能力的最重要特性：



●经过验证的耐脉冲圆柱形设计，提供最大有效电阻膜面积

●螺旋形微调图案，避免局部电流密度增强

●碳膜材料及其无可比拟的热稳定性

最大外壳尺寸（0207）碳膜MELF电阻器是SMD器件中的脉冲负载能力之王。其性能比同类外壳尺寸的电阻器高一个数量级以上。