電阻(7)之零歐姆電阻


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零歐姆電阻(0 ohm resistor也稱跨接電阻器(Jumper resistor,有些規格書就是以跨接電阻來命名的,如下圖所示(來自VISHAY WSR2-9跳接電阻數據手冊),是一種特殊用途的電阻:

 

下圖為常見零歐姆電阻的外形:

 

零歐姆電阻的阻值並非為零,而是阻值很小的電阻。正因為有阻值,因此它與常規電阻一樣有誤差(精度)指標,如下圖所示(來自VISHAY插件電阻數據手冊)。

 

從上表可知,零歐姆電阻與其它阻值為兩個不同的系列,它沒有將阻值范圍(Resistance range)表示為“0Ω to 10MΩ”,而是“0.22Ω to 10MΩ;0Ω”。有些廠家將零歐姆電阻系列單獨做一個規格書,如下圖所示(來自VISHAY RCWP跳接電阻數據手冊):

 

為了節約物料成本,有些產品會使用0歐姆電阻當作保險絲,因為零歐姆電阻也會有一定的額定電流,封裝體積越小則額定電流越小(最大允許電流通常大於額定電流),當電流超過最大允許值后,零歐姆電阻將因過熱而燒毀呈開路狀態,這與自恢復保險絲的保護行為是差不多的,只不過這種開路狀態是不可恢復的,必須重新更換零歐姆電阻。

比如,上表中0201封裝的零歐姆電阻(50毫歐姆),其耗散功率為0.05W,則其最大電流應為1A(非額定電流),如果后級因負載過重而使電流超過此值,則零歐姆電阻將因過熱燒毀開路而保護后級電路不至於產生更壞的影響。

 

更小阻值的零歐姆跳接電阻如下圖所示(來自VISHAY WSR2-9跳接電阻數據手冊):

 

其值只有3毫歐姆!事實上,就算是我們常用的兩腳短接跳帽也總是會有一些電阻的,只不過非常小而已。

 

 

對於很多電路設計來說,添加一個零歐姆電阻就是為了在不能確定的情況下添加一個預留封裝(而不影響已有的電路正常運行),是為了方便在PCB板上調試或兼容設計而預留的一個封裝,它可以是貼片電阻封裝、插件電阻封裝,甚至只是像兩個焊點一樣的封裝,如下圖所示:

 

零歐姆電阻的作用有很多看起來好像很多,但歸納起來只有兩種:兼容設計預留與短接,當然,這兩種功能在某些角度也是相同的。

 

在電路設計中,我們經常可能會涉及到某個信號連接多個器件,而這個信號線連接的器件中,有些可能只是預留在有需要的時候再進行使用,這時我們就使用零歐姆電阻進行連接,防止走線過長導致出現信號完整性問題,這在時鍾線或高速信號線上尤為常見。

 

如上圖所示,器件U2(不一定是同類型)可能是一種新的需要測試的器件,我們不能確定U2是否一定會在產品中會使用,因此添加兩個零歐姆電阻,這樣可以使這部分電路與正常的電路相互隔離,在需要聯調的時候可以焊接零歐姆電阻。

這里只是很簡單的一個芯片,也可以是預留的很復雜電路模塊,我們也可以預留一個零歐姆電阻與正常路徑連接,不需要的時候只需要斷開零歐姆電阻即可。在這種情況下,你可以認為零歐姆電路是為了達到兼容性設計目的而添加的一個短接跳線,這也是為了方便調試。

 

再比如,有些產品中某些特定接口可能會在結構上的兩個位置,但可以使用的信號線只有一個,一般情況下,我們都很少願意因此而畫兩塊PCB板(成本是一方面,另一方面也不便於管理),通常的做法是使用兼容性設計。

如下圖所示,當僅使用USB1位置接口時,我們將零歐姆電阻卸下(不安裝),這樣可以防止USB2位置的長信號線導致USB1位置接口無法使用;相應的,如果僅使用USB2位置接口時,我們只需要將兩個零歐姆電阻安裝即可:

 

 

在有些電路設計方案中,我們不能確定某個器件是否必須需要添加時,也可以預留一個零歐姆電阻的位置,很多產品都需要進行電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility, EMC)認證,也因此會在一些可能會產生EMI問題的電路支路上預留一些零歐姆電阻,如下圖所示:

 

上圖中,音頻放大電路后聯接一個濾波電路,其中預留了一個電阻R1,如果我們做EMI測試時經過確認此接口引起了某些頻點的超標,則可以將電阻R1封裝的位置更換成一個合適的磁珠,繼而達到改善EMI的目的。

 

為方便測量某個子模塊的電流,我們也可以在該子模塊總支路入口添加一個零歐姆電阻,這樣后續就可以串接電流表進行功耗的測量,如下圖所示:

 

如果需要測量該子模塊電路的功耗,則可斷開電阻R1串接一個電流表,如下圖所示:

 

 

 

在進行PCB布線時(特別是單面板),我們經常會看到有些PCB會有一些跳線,如下圖所示:

 

這通常是為了節約成本不得已而為之,因為單面板總比雙面板要便宜一些,當出貨量非常大時,成本的優勢就會顯現出來,很多低成本的玩具等電子產品都會這樣做(早期的黑白電視機板卡也有這種跳線)。這種跳線就相當於插件電阻的兩個引腳,即電阻的封裝,實際應用中會使用一根導體來連接,這似乎是能夠節約不少成本,但是導體不易於機器統一安裝,因此我們可以使用(貼片)零歐姆電阻來代替,盡管好像多了一點成本,但對於大規模機器化生產是有很大幫助的,如下圖所示:

 

在多種類型地(如模擬地、數字地)的連接時,通常也會預留一個零歐姆電阻,如下圖所示:

 

至於實際應用中是使用零歐姆電阻還是磁珠,可根據最終的測試結果而定。

 

零歐姆電阻也可以當作短接跳帽使用,如下圖所示預留的電阻R1~R6:

 

我們也可以用排針將相應的信號線引出來,再使用短接跳帽進行合適的短接配置,這對於一些樣板測試是沒有問題的(甚至是最好的方式),但量產板卡最好使用同一工序進行元器件安裝,比如都使用貼片元器件,有利於縮短生產周期,也可以防止用戶誤配置引發系統錯誤,有效降低后期維護成本。

 

零歐姆電阻也可用來提供高頻電流的較小回流路徑。如下圖所示,USB信號線(或其它高速信號線)的地平面被分割成兩塊,高速信號線的回流路徑通常都按最小路徑(圖中為差分信號線雖然影響可能並不大,但也應盡量避免這樣做),因此信號返回路徑將變成很大的電流環路面積,這很容易干擾其它信號線,或被其它信號線干擾。

 

此時等效圖如下圖所示,地平面的分割就相當於一個槽,信號返回電流無法從中通過,只有繞過槽尋求最小的環路返回路徑:

 

為了把項目做下去,使信號完整性問題降到最低(細節將在專欄文章中詳述),我們可以在兩側焊接兩個零歐姆電阻,如下圖所示:

 

此時在效果上就相當於下圖所示:

 

可以看到信號返回路徑被大大地減小了,對於整個電路系統的健壯性也是很有意義的。


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