Giảm công suất điện trở để cải thiện Thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc

Theo thiết kế, điện trở giới hạn dòng điện, hấp thụ năng lượng điện và chuyển đổi nó thành năng lượng nhiệt. Tất cả các điện trở đều có một công suất định mức được xác định cho phép biết được lượng năng lượng tối đa mà linh kiện có thể chuyển đổi mà không làm giảm hiệu suất hoặc khiến linh kiện hỏng.

Công suất tối đa của một điện trở sẽ phụ thuộc vào vật liệu được sử dụng trong quá trình chế tạo, kích thước vật lý của nó, và nhiệt độ tối đa mà linh kiện có thể hoạt động an toàn. Nhiệt độ tối đa sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh linh kiện và lượng nhiệt bị phân tán từ linh kiện ra môi trường. Phần sau sẽ phụ thuộc vào các biện pháp quản lý nhiệt mà nhà thiết kế đã thực hiện cho linh kiện và phần còn lại của mạch về mặt bố trí PCB, tản nhiệt, luồng không khí, và bất kỳ cơ chế làm mát nào khác có thể có mặt.

Khi tính toán công suất yêu cầu của thành phần điện trở, cần xem xét bản chất của bất kỳ điện áp thay đổi nào qua điện trở. Tải xung với điện áp trung bình VL sẽ không gây ra hiệu ứng nhiệt giống như điện áp ổn định có cùng độ lớn bằng VL. Sự khác biệt thực tế sẽ phụ thuộc vào thành phần của điện trở. Điện trở quấn dây chịu được tải xung tốt hơn so với điện trở màng. Tải xung tạo ra điều kiện quá tải phụ thuộc vào các yếu tố bao gồm công suất trung bình trong chuỗi xung, tần suất lặp lại và thời gian tăng. Điều kiện quá tải cần được tính toán vào công suất yêu cầu để tạo ra kết quả chính xác. Phương pháp đơn giản nhất là xem năng lượng xung tương đương với năng lượng ổn định bằng cách tính công suất trung bình cho chuỗi xung và điều chỉnh cho loại điện trở yêu cầu và tính chất của các xung. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các phương trình có sẵn để tính toán chính xác hệ số điều kiện quá tải hoặc sử dụng phán đoán kỹ thuật để chọn một bội số trường hợp xấu nhất.

Một điều cần lưu ý là điện trở của bất kỳ linh kiện nào cũng sẽ thay đổi theo nhiệt độ, tùy thuộc vào vật liệu được sử dụng để chế tạo điện trở. Sự thay đổi này được quy định là hệ số nhiệt độ của điện trở (TCR) cho linh kiện. Được biểu thị bằng ppm/°C (phần triệu mỗi độ centigrade), nó đại diện cho phần trăm thay đổi trong điện trở cho mỗi độ thay đổi về nhiệt độ. Điện trở được sản xuất bằng vật liệu kim loại nói chung có hệ số nhiệt độ dương, nghĩa là điện trở của chúng tăng lên khi nhiệt độ tăng. Ngược lại, điện trở được sản xuất bằng vật liệu bán dẫn nói chung có hệ số nhiệt độ âm, nghĩa là điện trở của chúng giảm khi nhiệt độ tăng. Việc lựa chọn cẩn thận vật liệu có thể cho phép sản xuất điện trở với hệ số nhiệt độ trung tính, nghĩa là điện trở của chúng không thay đổi với nhiệt độ. Điều này lý tưởng cho việc sản xuất điện trở chính xác, nhưng hợp kim kim loại cần thiết cho việc chế tạo chúng có thể làm cho chúng trở nên đắt đỏ.

Giảm công suất điện trở là một kỹ thuật thiết kế mà trong đó linh kiện được cố ý hoạt động ở điện áp đáng kể thấp hơn điện áp tối đa được đánh giá. Điều này giảm thiểu nhiệt độ cao nhất có thể được tạo ra bên trong linh kiện. Điều này có lợi cho việc giảm tốc độ suy giảm của các vật liệu được sử dụng để chế tạo linh kiện. Kết quả là tăng độ tin cậy và tuổi thọ dự kiến cho linh kiện. Hầu hết các nhà sản xuất điện trở quy định công suất của họ ở nhiệt độ 70°C trong môi trường có luồng không khí tự do. Giả sử một linh kiện được đặt bên trong một thiết bị không có luồng không khí tự do và không có cơ chế làm mát khác. Trong trường hợp đó, một phân tích nhiệt sẽ cần thiết để xác định công suất tối đa thực tế nên được áp dụng. Giả sử một linh kiện được đặt bên trong một thiết bị nơi có cung cấp làm mát bổ sung. Trong trường hợp đó, lý thuyết, linh kiện có thể được vận hành an toàn trên công suất tối đa, giả sử rằng nhiệt độ được tạo ra bên trong điện trở được tản nhiệt với tốc độ lớn hơn so với điều kiện luồng không khí tự do.

Bảng dữ liệu của điện trở thường cung cấp các giá trị giảm tải khi nhiệt độ hoạt động vượt quá 70°C tiêu chuẩn. Những giá trị này được cung cấp dưới dạng phần trăm áp dụng cho công suất định mức của linh kiện để tính toán công suất hoạt động. Điều này còn được biết đến là tỷ lệ căng thẳng của điện trở, được tính từ tỷ lệ công suất hoạt động tối đa so với công suất định mức của nhà sản xuất. Quy tắc chung là áp dụng tỷ lệ căng thẳng 0.8 cho thiết kế mạch điển hình. Tuy nhiên, bảng dữ liệu của nhà sản xuất có thể cung cấp các con số tỷ lệ căng thẳng được khuyến nghị cho một loạt các điều kiện hoạt động và thiết kế điển hình.

Một lợi ích khác khi giảm công suất cho các điện trở là nó tăng biên độ an toàn giữa giới hạn của linh kiện và các áp lực thực tế không lường trước được có thể xuất hiện trong quá trình thiết kế. Điều này bao gồm sự biến đổi trong mức cung cấp điện năng dẫn đến điện áp cao hơn dự kiến xuất hiện trên điện trở. Hoặc có thể là nhiệt độ hoạt động cao hơn dự kiến do điều kiện môi trường bên ngoài hoặc thách thức quản lý nhiệt độ bên trong. Khi không thể giảm công suất, các lựa chọn thay thế bao gồm kết nối các điện trở song song để chia sẻ việc hấp thụ năng lượng điện hoặc giới thiệu cơ chế làm mát chủ động cho thiết bị. Nếu bạn cần sử dụng điện trở có đánh giá cao hơn, bạn sẽ cần xem xét rằng nó sẽ có kích thước lớn hơn so với linh kiện bạn dự định sử dụng. Khối lượng và kích thước tăng lên của linh kiện sẽ ảnh hưởng đến bố cục bảng mạch và tăng khả năng linh kiện và các kết nối bị hỏng do rung động cơ học.

Bạn có muốn tìm hiểu thêm về cách Altium Designer® có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của mình không? Hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.