硬件基础知识---(5)电阻的用法

简介

电阻的特点是阻挡电能,电阻的关键参数有尺寸、阻值、精度和功率。电阻的应用场景非常多,都是围绕着电阻的特性来使用的。我们重点讲一下实际工作中遇到的电阻的功能,理论知识和计算公式就不赘述了。在初学者心目中,电阻就是拿来分压用的,但是实际项目中,绝大部分电阻都不是当作分压用的。

电阻的特点是阻挡电能,电阻的关键参数有尺寸、阻值、精度和功率。电阻的应用场景非常多,都是围绕着电阻的特性来使用的。我们重点讲一下实际工作中遇到的电阻的功能,理论知识和计算公式就不赘述了。

在初学者心目中,电阻就是拿来分压用的,但是实际项目中,绝大部分电阻都不是当作分压用的。

我们统计过,一个Android智能平台的硬件电路中,大约20%的电阻是做上拉下拉使用,30%的电阻做EMC和ESD使用,40%的电阻占位置和跳线,5%的电阻用来做电压采样,剩下的最多只有两三颗是用来做正经的分压用途。

且听我们一一道来:

1上拉下拉

上拉,就是把电路拉高到电源,下拉,就是把电路拉高到地。下面有几张参考图。

硬件基础知识---(5)电阻的用法_第1张图片

↑  图:上拉电阻

↑I2C总线的上拉电阻,R709和R710。使I2C在无控状态下保持高电平。

硬件基础知识---(5)电阻的用法_第2张图片

↑  图:上拉电阻

↑SDIO总线的上拉电阻,R610,R611,R613、R614。提升外设驱动能力。

硬件基础知识---(5)电阻的用法_第3张图片

↑  图:下拉电阻

↑NMOS开关控制脚的下拉电阻,R732。使MOS管在无控状态下保持关闭。

硬件基础知识---(5)电阻的用法_第4张图片

↑  图:下拉电阻

↑LDO开关的下拉电阻,R759。使LDO在无控状态下保持关闭。

上下拉的主要作用,一是让线路在无人控制的情况下维持在固定的状态,二是提升驱动能力

关于无人控制,很多人会认为,系统开机之后,我配置了这个GPIO口,就可以控制了呀,为什么存在无人控制的情况呢?

对,开机之后都可以控制,但是系统刚上电,未开机,或者开机过程中,GPIO口却都是在无控状态。如果只供电但还没有开机,电源的控制脚是一个默认内部上拉的GPIO口,电源就被打开了,经常导致电流灌进还没有运行起来的其他GPIO内,导致上电漏电。

如果开机,开机的过程一般是:上电-复位-电源初始化-跑引导程序-内核运行-应用运行,用户配置代码要么在内核中,要么在应用程序中,改不到引导程序的。虽然前面无控的时间非常短,可能只有几百毫秒,但是有可能导致某些GPIO口的默认状态不对导致外部电源被意外打开,一样有可能出现漏电的情况。如果是灯的开关,就有可能在开机一瞬间灯亮一下,跑到程序设定的地方才会被关闭。

因此,对于开关脚(EN,enable),选择GPIO的时候要选择默认是关闭状态的GPIO口,保险起见应当预留一个开关上下拉的电阻,用来确保开关脚的默认状态是对的。

这类开关上下拉电阻,通常用于电源芯片的开关、灯的开关、模拟开关等控制脚上。

这种用法也会用在中断信号上,通过外加一个上拉电阻,使中断脚在没有输出的情况下保持高电平,一旦输出低电平,就会被拉下来。反之亦然。

这些上下拉电阻,通常在10KR-100KR之间,电阻小了会导致漏电大或者GPIO控制不了,电阻大了会导致和芯片内部上下拉冲突。GPIO输出电阻一般在10kR以下,内部上下拉一般在100KR上下。(实际上也是两个电阻分压的原理)

至于I2C的上拉,是协议要求的。I2C两根线要求默认是高电平,一旦被拉到低电平就会认为有数据要发送了。在I2C主机和从机都没有控制的情况下,需要维持在高电平。而I2C硬件上都是OC门,没办法自己上拉,因此需要外部上拉电阻。这种情况算是个特例。

SDIO接口,就是接SD卡、TF卡的接口,增加10KR-33KR的上拉电阻有助于提高驱动能力。某些小厂生产的比较水的SD卡和TF卡,会不容易被识别到,增加上拉能够减小不读卡的概率。

后面还会继续讲解:电阻的用法之ESD,EMC,0欧姆,跳线等使用方式


2. 0欧姆电阻用法

简介

没有比电阻更便宜的元器件了,因此电阻被广泛用于占位置和预留位置。如果没出问题,就继续用电阻,如果出了问题,再换成电感、磁珠等其他元器件。通常在电源线上,可以预留0R电阻。本身电阻的寄生电感就可以降低EMC辐射,以及减小电源被外部干扰的情况。如果0R电阻扛不住,那就换成相同尺寸的磁珠即可,能够把EMC能力再提升很多。磁珠比电阻贵10-15倍。

图:硬件工程师理论基础

没有比电阻更便宜的元器件了,因此电阻被广泛用于占位置和预留位置。如果没出问题,就继续用电阻,如果出了问题,再换成电感、磁珠等其他元器件。

硬件基础知识---(5)电阻的用法_第5张图片

↑  图:Camera电源线上预留0R电阻

通常在电源线上,可以预留0R电阻。本身电阻的寄生电感就可以降低EMC辐射,以及减小电源被外部干扰的情况。如果0R电阻扛不住,那就换成相同尺寸的磁珠即可,能够把EMC能力再提升很多。磁珠比电阻贵10-15倍。

电源为什么会有辐射出来?因为设备工作的时候并不是固定不变的功耗,从微观时间来看,设备工作电流会随着时钟而抖动,电源则会跟着设备工作电流的变动而抖动。因此电源上必定会保留去耦电容,大部分时候会预留0R电阻或磁珠。对于一些超高频的供电,如CPU供电,还需要做电源高频阻抗仿真。

预留的0R电阻,还能够当作测试点,方便测量到信号。(如果线路走在PCB内层,就没有办法直接测量了)还可以通过断开0R电阻,来断开线路,或者飞线调试。0R电阻对于电路调试和测试也是很重要的。

不过这个设计并非没有弊端,如果线路走在PCB内层,能够防止电路对外辐射信号,也能够防止外面的静电打进来。布置在PCB外层的预留电阻本身也可能成为一个干扰源。并且前面也讲了,电阻虽然便宜,但SMT也要花钱的,预留电阻不可太多,够用即可。

3.电阻的之跳线

简介

跳线大家都不陌生,电脑主板上,开发板上,都会留有很多插针式的跳线,用于手工切换线路。但是智能硬件普遍都比较小,留不下插针式的跳线。且多为一次性切换,SMT的时候选择好就行了,无需用户自己手工选择。因此普遍使用0R电阻来做跳线。

跳线大家都不陌生,电脑主板上,开发板上,都会留有很多插针式的跳线,用于手工切换线路。但是智能硬件普遍都比较小,留不下插针式的跳线。且多为一次性切换,SMT的时候选择好就行了,无需用户自己手工选择。因此普遍使用0R电阻来做跳线

硬件基础知识---(5)电阻的用法_第6张图片

↑  图:插针式的跳线

硬件基础知识---(5)电阻的用法_第7张图片

↑  图:插针式的跳线

硬件基础知识---(5)电阻的用法_第8张图片

↑  图:PCM和I2S兼容跳线,以及电源选择跳线

如上图,分别是蓝牙PCM和音频CODEC的I2S之间做一个二选一,以及LDO1和LDO4供电二选一。选择哪一路,SMT的时候就贴那一路的0R电阻,不选的那一路补贴即可。

图中的DNI是don’t need install的意思,也有DNP(do not present)和NC(not connect)的说法。总之就是SMT的时候无需贴片,出BOM的时候也不需要列出来

跳线电阻是比较占电路板面积的,一根走线要配2个电阻的面积,对于4根走线的要8个电阻。如果空间比较小,可以采用下图的共用焊盘的跳线电阻的方式,两个电阻有一个焊盘是公用的。这样可以节约1/3左右的面积。

硬件基础知识---(5)电阻的用法_第9张图片

↑  图:省空间的跳线电阻Layout示意图

跳线有时候会被称为“兼容设计”,就是一种电路板设计方案可以同时支持几种不同的配置

在电路设计的时候,我们很难做到所有的方案都提前验证好,不管是没有开发板,还是飞线飞不出来,或者是没时间。经常会有几种备选方案,例如GPIO口选哪个比较好?供电用内部的还是外部的?这颗芯片和另外一颗芯片哪个更好用?

PCB板一旦投下去,就是成本,还有动辄半个月一个月的时间,因此在犹豫不决的地方要做“兼容设计”。既然不知道哪个接口比较好用,那就两个都留着吧,万一这个有问题了,重新焊一下就解决了,不需要再花费大半个月的时间改PCB板了。

硬件设计中,用过的、测过的才是相对准确的。仅理论可行但没有用过的设计,一定要小心。要有做兼容设计的思维,才能保证项目风险可控,才能不因为设计错误导致硬件报废重做。


采样电阻

简介

电压或电流的采样,是电阻最正统的使用方式之一。虽然用的很少,但是严格遵循了安培定律,大家在初中物理上学的知识有用武之地了!这是4.2V锂离子电池充电电路,前面的PMOS和二极管先不用看,只看后面这颗0.2ohm 1%的电阻。电阻两端,一端是IS(I Sense),电流检测的意思,另一端是VBAT,就是电池。IS和VBAT都会接入到系统的ADC,I charge =(Visense-Vbat)/

电压或电流的采样,是电阻最正统的使用方式之一

虽然用的很少,但是严格遵循了安培定律,大家在初中物理上学的知识有用武之地了!

硬件基础知识---(5)电阻的用法_第10张图片

↑  图:充电电流采样电阻

这是4.2V锂离子电池充电电路,前面的PMOS和二极管先不用看,只看后面这颗0.2ohm 1%的电阻。电阻两端,一端是IS(I Sense),电流检测的意思,另一端是VBAT,就是电池。IS和VBAT都会接入到系统的ADC,I charge =(Visense-Vbat)/0.2

这个方式通常用于1A以下的充电电流检测。电流越大,电阻分压就越大,如果用2A充电,5V的充电器,经过线路损耗、Pmos和二极管,再减去检测电阻的电压,就不到4.2V了,充电就充不满了。

对于此类大电流流过的电阻,一定要计算功率,不然有烧掉的风险。例如1A,0.2ohm,算下来功率在0.2W,0805封装1/8W的电阻勉强够用,1206封装1/4W的电阻就比较好了。

采样电阻能不能做的更小呢?答案是可以的。大电流情况下肯定是要用小的采样电阻很多高精度毫欧级的电阻都是用来做大电流采样的。但是不能做的太小。例如1A 0.2ohm的时候,电压差在0.2V,如果用0.05ohm的电阻,电压差就只有0.05V了,此时如果检测50mA的充电电流(充电截止电流),电压差就只有2.5mA,一来容易被干扰,二来对ADC的精度要求太高。所以检测电阻要和检测电流匹配才行。

硬件基础知识---(5)电阻的用法_第11张图片

↑  图:LCD背光电路电流反馈采样电阻

这是一颗LCD串联背光驱动芯片,LCD的背光是一串或多串白光LED灯,芯片将4.2V的VBAT升压到十多伏,驱动串联的LED灯。例如一颗灯是3.3V,5颗串联就是16.5V。

LED对电流特别敏感,电流稍有波动,就能够看到LED在闪烁。需要一个电流采样作为反馈信号输入给驱动IC

这个示例中用的是2串串联灯,每一串LED的工作电流是20mA,2串LED并联就是40mA。驱动IC设计要求FB(feedback)脚上的电压要固定在200mV,因此得出电阻需求是200mV/40mA=5ohm。于是选择使用了5.1R_1%的电阻。(5ohm不常见,选了常见的5.1ohm)。

这颗电阻的作用也可以认为是提供了背光驱动芯片的参考电压

硬件基础知识---(5)电阻的用法_第12张图片

↑  图:参考电压 R1704

硬件基础知识---(5)电阻的用法_第13张图片

↑  图:参考电压 R1703

这个例子是联芯1860C处理器上的两组参考电压,200R_1%是提供给USB的参考电压,4.02K_1%是提供给摄像头ISP的MIPI接口的参考电压。

这些精密电阻的值,都是由芯片原厂提供的,芯片是人家设计的,咱们就不要乱动了,老老实实按照参考设计来吧。


原文来自燚智能硬件开发网




你可能感兴趣的:(硬件电路基础)