表面贴装电阻器的功率降额

Resistor----贴片电阻的功率降额

引言：电阻器可施加的最大功率会随着温度而变化，但以往大多不考虑电阻器的温度，仅通过“电阻器负载功率在额定功率的30％以内”等条件来进行设计，在引脚型电阻器为主流的时代，即使使用这样的设计，在产品可靠性上也几乎不会发生问题，但目前时代主流的表面贴装电阻器如果使用相同的设计，则会发生电阻器故障，电路板冒烟等事故。为了防止这些事故的发生，同时为了替换小型产品和减少使用数量，有必要根据表面贴装电阻器的条件进行降额。

1. 表面贴装电阻器的温升

对于引脚型电子部件，这些部件所产生的热能，都由部件表面散热至大气当中。贴片电阻器等表面贴装电阻器所产生的热能，几乎都散热到印刷电路板上。另外，由于印刷电路板易传热，因此贴片电阻器周围的部件也容易受热影响。图3-1是针对已实施散热对策与未实施的电阻器对比图，施加相同功率时的热能图片，即使部件配置相同，不同的电路板，电阻器的温度就存在很大差异，由此可得表面贴装电阻器的温度管理非常重要。

图3-1：电阻器温度根据电路板是否实施散热对策所产生的差异

2. 表面贴装电阻器的温度管理的重要性

第一，PCBA的小型化，印刷电路板的贴装密度越来越高，使得单位面积的发热量增加，因此印刷电路板本身也容易升温。

第二，PCB配置环境的高温化，例如在发动机箱内等高温环境下安装汽车ECU(Electronic Control Unit : 控制车载机器的电子装置) 。使得电阻器的使用环境温度不断上升。

第三，电阻器的小型高功率化，这也是促使温度管理的重要性增加最主要的理由。1206尺寸以下的贴片电阻器,额定功率在2000年过后几乎倍增。这并非电阻器本身的规格变更，而是在确保适当的温度管理的前提下，对额定功率进行了重新评估。因此，为了安全使用表面贴装电阻器，则有必要管理电阻器的温度。

3. 表面贴装电阻器的发热与散热

表面贴装电阻器通过焊料等接合材料贴装在印刷电路板上。图3-2显示贴装在印刷电路板上的贴片电阻器的主要散热途径。散热途径可以分为三种：第一种是接触的印刷电路板等的热传导(以下称“传导”)，第二种是空气对流传递(以下称“对流”)，如自然对流或强制对流(风扇)。第三种是红外线的辐射。分别对0402尺寸与0805尺寸以及2512尺寸的贴片电阻器施加功率时，其散热途径的散热比如表3-1所示。我们可以得知贴片电阻器的散热，有90％以上都是对印刷电路板的传导来进行。另外，贴片电阻器的热能容易传导给印刷电路板，相反地，亦能解释为何印刷电路板的热能容易传导给电阻器。

图3-2：三种热传导路径

表3-1：各散热途径的散热比例

由此得知，贴片电阻器的温度强烈取决于印刷电路板的散热能力。电阻器在通电的同时开始升温，发热量与散热量一致时达稳定(平衡状态)状态。电路板的散热能力高则电阻器的温度低，相反地，电路板的散热能力低则电阻器的温度高。因此，如印刷电路板因周围部件发热而升温，则电阻器也会随之升温。过去所使用的引脚型电阻器，其产生的热能多半散热至空气当中，从引脚传导至印刷电路板的散热比例仅占少数。因此，引脚型电阻器几乎不会受到印刷电路板所产生的热能影响。

4. 电路板布局与贴片电阻器的温升：

下面是将0805贴片电阻器，额定功率0.5W，贴装在3种散热性各异的印刷电路板的状态。在室温环境下，每个电阻器施加0.125W(额定功率的25%)功率时，电阻器端子部位的温升状况∆T如图3-6所示：

图3-3：电阻器：1个,布局宽：0.5mm

图3-4：电阻器：1个,布局宽：39mm

图3-5：电阻器：8个,密集贴装

图3-6：贴片电阻器随不同电路板布局温升的示例

当各电阻器端子部位的温升状况∆T为图3-3：36℃，图3-4：9℃ ，图3-5：140℃，若电路板布局不同，与周围有发热部件，那么电阻器的温度也将存在很大差异。以上结果是在相同的环境温度，施加相同功率下所得的结果，由此可得贴片电阻器的温度不仅仅凭环境温度，施加功率而决定。如前述，贴片电阻器的散热有90%以上传导给电路板，换句话说，贴片电阻器将印刷电路板当作散热板使用。若这些印刷电路板散热有差异，即会出现如图3-6般的温升差异。

使用图3-7左的布局，改变施加功率，用热成像测量印刷电路板与电阻器的温度结果如图3-7右所示。另外，在进行热成像测量前，对印刷电路板的温度测量部位与电阻器均做事前处理，涂上黑体喷雾(温度测量位置在热像的白线上)。我们可以得知对电阻器施加的功率越大，电阻器的温度就越大，而且印刷电路板温度也会越高。另外，两个电阻器间的印刷电路板温度(图3-7的红色箭头部位)与电阻器上升的温度几乎相同。这是表示电阻器的散热导致印刷电路板升温至与电阻器同温，两个电阻器间无法再散热的状态。综上所述，表面贴装电阻器的温度，不仅取决于施加功率所产生的自身发热，而且也取决于印刷电路板周围部件所产生的温度。

图3-7：通过热成像观察温升的示例

即使施加功率相同，电阻器的温度仍会随印刷电路板的散热能力而不同，因此“电阻器负载功率在额定功率的X％以内”这样的设计不适用于表面贴装电阻器。另外，虽然通常使用的印刷电路板(FR-4)的连续使用温度为130℃。但是当温度超过连续使用温度，这样的设计会带来印刷电路板冒烟或烧毁等风险。

5. 表面贴装电阻器的功率降额

电阻器有规定可使用的温度范围，由于施加功率后电阻器便会发热，因此有必要考量其温升状况，管理施加功率与温度以防止超出电阻器的使用温度极限。降额曲线显示对电阻器的施加功率与温度间的关系，图3-8是以贴片电阻器为例的降额曲线。纵轴是可施加的功率(额定功率的百分比)，横轴是电阻器端子部位的温度。此功率降额曲线的贴片电阻器，虽然可施加端子部位温度为125℃，但超过125℃时，就要根据温度，相应降低功率。如前述，端子部位的温度会随印刷电路板的布局或贴装状态而不同，需多加留意。

6. 功率降额曲线的使用方法：

以下以矩形贴片电阻器系列为例，来验证电阻器功率降额曲线的使用方法（Resistor-2：通用电阻的一般用途，回顾第二章节里面说的跳线电阻，降额考虑非常重要）。

(1)需验证的贴片电阻器为0805尺寸，施加功率为0.1W。对贴片电阻器施加功率时，电阻器的端子部位温度为140℃。

(2)在图3-8横轴140℃的位置画出垂直线，求出其与降额曲线的交点。

(3)从上述交点向左画出直线，求出额定功率比(图3-8(3))。从此示例可得知，最大可对贴片电阻器施加额定功率的50%。

(4)施加功率为0.1W，因此电阻器的额定功率至少要在0.1W÷0.5＝0.2W以上。 0805尺寸的额定功率为0.25W，因此可在此电路上使用。 接着使用“额定功率的30%以内”的设计，和上述方法进行比较。施加功率为0.1W，此为额定功率30%以内的数值，因此贴片电阻器的额定功率要在0.1W÷0.3＝0.34W以上。

计算结果得知，不能使用以上所说0805尺寸贴片电阻器。一般额定功率在0.34W以上的最小尺寸为1210尺寸，因此如果使用这种设计，则有必要使用更大尺寸的贴片电阻器，通过有效地利用功率降额曲线，就可以使用合适的贴片电阻。

图3-8：贴片电阻器的功率降额曲线(例)

总结：表面贴装电阻器随着小型，高功率化的发展，温度管理也逐渐重要。若未进行适当的温度管理，将可能导致意料之外的事故。对表面贴装电阻器施加的功率不能单凭“额定功率的％X以内”来决定，而是必须根据功率降额曲线来评估电阻器的温度（尤其是功率用电阻），通过这种方法确定适合条件的电阻器尺寸与数量，才能安全使用。