硬件工程师入门基础知识（一）基础元器件认识（一）

硬件工程师入门基础知识

（一）基础元器件认识（一）

今天水一篇hhh。介绍点基础但是实用的东西。

tips：学习资料和数据来自《硬件工程师炼成之路》、百度百科、网上资料。

1.贴片电阻
2.电容
3.电感
4.磁珠

1.贴片电阻

1.1常用电阻阻值
并不是所有的阻值的电阻都有生产，要根据需求选择合适的电阻。常用电阻阻值表如下：

电阻标准由 IEC（国际电工委员会）制定，标准文件为 IEC60063 和 EN60115-2。
电子元器件厂商为了便于元件规格的管理和选用，同时也为了使电阻的规格不至太多，采用了统一的标准组成的元件的数值。

电阻的标称阻值分为 E6、E12、E24、E48、E96、E192 六大系列，分别使用于允许偏差为±20、±10%、±5%、±2%、±1%、±0.5%的电阻器。其中以 E24 和 E96 两个系列为最常用。
“E”表示“指数间距”（Exponential Spacing），它表明了电阻阻值是由公式计算出来的。

字母 n 指的是 E24，E96 等标准中的数值 24 和 96，m 的取值范围为 0~n-1；这样，E24 有 24 个基准值，E96 有 96 个基准值，这些基准值再乘以 10 的 x 次方，就可以得到各种各样的电阻值了。

1.2电阻丝印

封装 0603 以上的电阻（包含 0603）在表面都印有丝印。
丝印展示出了 2 层意义：阻值大小和精度。
常用电阻丝印一般有这几种情况：
1） 带有三位或者四位数字的丝印
2） 带有字母“R”的丝印
3) 带有数字和 R 之外字母的丝印

带有三位或者四位数字的丝印
三位数字表示 5%精度的，四位数字表示 1%精度的，前面几位表示数值，最后一位表示 10 的 x 次方。
例 1：丝印为“103”，则：𝑅 = 10 ∗ 103 = 10𝐾𝛺，5%精度
例 2：丝印为“1003”，则：𝑅 = 100 ∗ 103 = 100𝐾𝛺，1%精度

带有字母“R”的丝印
带字母”R”的电阻一般阻值较小，精度多为 1%，不过也不绝对，可以把 R 看作是小数点，前边的数字为有效值。

例：丝印为“22R0”，将 R 看作小数点，前面的 22 表示有效值，读数为 22.0Ω，即精度为 22Ω的 1%精度电阻。

还有些需要查表的丝印
E-96 规定：用两位数字加一个字母作为丝印，实际阻值可以通过查表来获取，两位数字表明了电阻数值，字母表明了 10 的 x 次方，也需要查表。

1.3贴片电阻封装

封装的命名是根据电阻的实际尺寸来的—英寸单位
例：
0402 实际尺寸：1mm0.5mm 0.04 英寸0.02 英寸 0402

常用的电阻封装有：
01005、0201、0402、0603、0805、1206、1210、1218、2010、2512
目前一般电子产品主要用 0402，0603 封装的，要求功率高点的用 1206 的，手机或者穿戴设备会用到更小封装，比如 01005，0201 等。

1.4贴片电阻功率
电阻的额定功率主要由封装决定，但也不是绝对的，还跟电阻的工艺（薄膜还是厚膜），品牌，阻值大小等有一定关系。

下面列一些厂家的电阻与额定功率的关系表格。

注意：
同一封装，不同品牌的电阻功率可能不同。
同一封装，不同精度的电阻功率可能不同。
同一封装，不同阻值的电阻功率可能不同。

1.5电阻的额定电压
电阻是有额定耐压值的，不能超过额定耐压值使用。
1、材质相同（厚膜）的额定电压，各品牌相差不大。
2、材质不同，额定电压有差别，薄膜要比厚膜要低。
3、封装越大，额定电压升高。

1.6 0R电阻的特性

0Ω电阻过流能力
需要注意的是，不同厂家的 0Ω电阻过流能力并不相同，可从下表看出：

2.电容

2.1 MLCC陶瓷电容

MLCC（Multi-layer Ceramic Capacitors）是片式多层陶瓷电容器英文缩写。是由印好电极（内电极）的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层（外电极），从而形成一个类似独石的结构体，故也叫独石电容器。

2.2基本参数

电容的基本单位是：F（法），此外还有 μF（微法）、nF、pF（皮法），由于电容 F 的容量非常大，所以我们看到的一般都是 μF、nF、pF 的单位，而不是 F 的单位。
它们之间的具体换算如下：
1F＝1000000μF
1μF=1000nF=1000 000pF

和电阻一样，电容实际生产的容量值也是离散的，常用电容容量如下表：

陶瓷电容容量从 0.5pF 起步，可以做到 100uF，并且根据电容封装（尺寸）的不同，容量也会不同。
选购电容器不能一味的选择大容量，选择合适的才是正确的，例如 0402 电容可以做到 10uF/10V，0805 的电容可以做到 47uF/10V，但是为了好采购、成本低，一般都不会顶格选电容。
一般推荐 0402 选 4.7uF-6.3V，0603 选 22uF/6.3，0805 选 47uF/6.3V，其它更高耐压需要对应降低容量。
满足要求的情况下，选择主要就看是否常用，价格是否低廉。

额定电压

陶瓷电容常见的额定电压有：2.5V、4V、6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、200V、250V、450V、500V、630V、1KV、1.5KV、2KV、2.5KV、3KV 等等。
额定电压值与电容的两极板间的距离有关系，额定电压越大，一般距离就要更大，否则介质会被击穿。因此，这就导致了同等容量的电容，耐压值高的，一般尺寸会更大。
电容器的外加电压不得超过规范中规定的额定电压，实际在电路设计中，一般选用电容时，都会让额定电压留有大概 70%的裕量。

电容类型

同介质种类由于它的主要极化类型不一样，其对电场变化的响应速度和极化率亦不一样。 在相同的体积下的容量就不同，随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等也就不同。介质材料划按容量的温度稳定性可以分为两类，即Ⅰ类陶瓷电容器和Ⅱ类陶瓷电容器， NPO 属于Ⅰ类陶瓷，而其他的 X7R、X5R、Y5V、Z5U 等都属于Ⅱ类陶瓷。

电容的实际物理模型

电容精度大小

温度特性

PCB设计注意

电容放置方向平行于 PCB 弯曲方向，放置位置远离 PCB 大形变位置。避免电容在长边受力，如下图，右边的电容摆放就就左边要好。

3.电感
电感特性

1-不能让电感电流突变
电流突变会造成 di/dt 的值无限大，也就是说在电感两端产生无限大的电压，这通常会对电路造成破坏，需要尽量避免。
2-电感在直流电路中相当于短路
直流电路中，di/dt 为 0，产生的感应电动势为 0，也就是说电感在直流电路中相当于短路。
3-电感两端加恒定电压时、电流线性增大或者减小
在电感两端加上恒定电压 U 时，感应电动势与所加电压相等，方向相反，等于-U（负号表示感应电动势要阻止电流变化）。根据上述公式，di/dt=U/L=常数，这说明电感的电流是线性的增加的。

电感等效物理模型

电感种类

电感依铁芯形状不同有环型、E 型及工字型；
依铁芯材质而言，主要有陶瓷芯及两大软磁类， 分别是铁氧体及粉末铁芯等。
依结构或封装方式不同有绕线式、多层式及冲压式，而绕线式又有非遮蔽式、加磁胶之半遮蔽式及遮蔽式等。

电感参数

电感的符号一般是“L”，电感单位：亨(H)、毫亨(mH)、微亨(uH)、纳亨（nH）。与电容单位类似，亨是一个很大的单位，常用的电感单位一般是微亨 uH 和纳亨 nH。
电感换算：1H=103mH=106uH=109nH。
一般 DCDC 常用的功率电感的范围是 1uH~100uH。
电感器的电感值在电路设计时为最重要的基本参数，电感的标称值通常是在没有外加直流偏置的条件下，以 100kHz 或 1MHz 所量得。这个测试条件，说明了电感的电感量是和直流偏置以及频率有关系的。

电感电流

实际电感所能承受的电流都会有一个上限，而一般厂家给出电感的规格书手册中也会标注电流范围。
然而经常让人疑惑的是，有的厂家会只标注一个饱和电流，有的厂家会只标注一个额定电流，还有的厂家会标注饱和电流和温升电流。下面来分别介绍下饱和电流，温升电流，以及额定电流。

饱和电流 Isat
一般是标注在电感值衰减 30%（一些厂家是 10%，40%）的偏置电流。
饱和电流为什么会存在呢？
电感一般都含有磁芯，特别是功率电感，磁芯是存在磁饱和的。什么是磁饱和呢？由于磁芯材料自身的特性，其通过的磁通量是不可以无限增大的。通过一定体积导磁材料的磁通量大到一定数量将不再增加，不管你再增加电流或匝数，就达到磁饱和了。尤其在有直流电流的回路中，如果其直流电流已经使磁芯饱和，电流中的交流分量将不能再引起磁通量的变化，电感器就失去了作用，这时磁芯完全饱和。

当然我们并不会等到电感完全饱和。事实上，在电流比较小时，单位电流产生的磁通量与电流成正比，这个意思就说磁芯磁导率为常数。而随着电流慢慢增大，单位电流的增加产生的磁通量的增量是下降的，也就是说随着电流的增加磁导率是慢慢下降的。
根据前面电感的公式，电感量是与磁导率成正比的，所以电感量随电流增大而减小。并且，不同的磁芯，电感量随电流变化的曲线不同，但是趋势是一样的，都是随电流增加而减小的。

温升电流 Irms
理想的电感是储能元件，不耗能。而实际中的电感是有损耗的，所以会发热。而温升电流，一般指电感自我温升温度不超过 40 度时的电流。

为什么电感对温度有要求呢？先来看一看居里温度。
居里点又作居里温度或磁性转变点。当温度高于居里点时，该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。

居里点由物质的化学成分和晶体结构决定，不同材质的磁芯的居里温度各不相同。
磁芯温度一旦超过其居里温度，它的磁导率会急剧下降，也就说在到达居里温度后，磁芯的电磁效应已无法起到作用，相对磁导率为 1，和空气差不都了。事实上，按照磁性材料生产厂家的广泛定义，在到达所定义的居里温度之前，磁导率已经开始急剧下降了。磁性材料的相对磁导率通常随温度上升而达到一个最大值，然后在达到居里温度时剧烈降低为 1。线圈电感量 L 与温度磁性材料的相对磁导率成正比，故温度变化，线圈电感量 L 也会跟着变化。

额定电流 Irat
电感最终的额定电流，是饱和电流和温升电流中的小者。
我们在电路设计中，关于额定电流一般至少会留 20%的裕量。即电感通过的最大电流要小于手册中的额定电流的 80%。

直流导通电阻 DCR

电感一般是由导线绕制而成的，而导线是有直流电阻的，这个电阻就叫作 DCR。
电感的 DCR 一般与电感的电感量和额定电流有关系。电感感量越大，导线的匝数越多，线长越长，因此 DCR 越大。同等电感量，额定电流越大，导线会越粗，DCR 越小。

电感特性

直流偏置特性
电感的直流偏压特性，一般指的是电感量会随电流的增大而减小。
一旦超过饱和电流，铁氧体铁芯的磁导率会陡降，而铁粉芯则可缓慢降低。这也解释了铁氧体铁芯电感，因磁导率在铁芯饱和时骤降。而有分布式气隙的粉末铁芯，磁导率在铁芯饱和时是缓慢下降，因此电感量也降低得比较缓和，即有较好的直流偏置特性，如下图所示。

在电源转换器的应用中，此特性很重要。若电感的缓饱和特性不佳时，电感电流上升到达饱和电流，电感量突降会造成开关晶体的电流应力突升，容易造成损坏。

电感的频率特性
电感的电感值随频率变化影响较小，在频率远小于谐振频率时，电感量可视为常数。
下图为利用的 LCR 表量测 Taiyo 电感 NR4018T220M 之电感－频率特性图，如图所示，在 5 MHz 之前电感值的曲线较为平坦，电感值几乎可视为常数。在高频段因寄生电容与电感所产生的谐振，电感值会上升，此谐振频率称为自我谐振频率（selfresonant frequency：SRF），通常需远高于工作频率。

4.磁珠

磁珠在电路中也是用得非常多的，下面是一些经常会看到的知识点，或者说是经验吧。
①电感的单位是亨 H，磁珠的单位是欧姆 Ω
②电感是储存能量的，磁珠是通过发热来消耗能量的
③磁珠是用来吸收超高频信号，多用于信号回路及 EMC 对策。

先来看我们使用两者器件的目的：我们一般使用电感，总希望他是理想电感，损耗越小越好。而我们使用磁珠，就是要利用其损耗，来消掉我们不需要的高频分量。
我们先前有讲过电感的损耗，分为铜损和铁损，铜损指直流导通电阻，一般不会大。而铁损就是指磁芯损耗了，主要包括磁滞损耗和涡流损耗。而这两者主要与磁芯的材质种类有关。

磁珠的阻抗曲线

他们应该满足公式：Z=R+jX。
随着频率的增大，X 会逐渐减小到 0，此时对应频率为自谐振频率，后续随频率增大，X为负数，也就是呈容性，上面曲线是厂家没有画出自谐振频率之后的 X 而已，其并不等于 0。

等效电路模型

磁珠选型

磁珠选型主要关注：
1、直流电阻 DCR
2、阻抗（100Mhz）
3、额定电流

阻抗
磁珠的标称阻抗都是 100Mhz 情况下的，实际上并不能反映其全貌，但也能反映其一些特点。同一系列磁珠一般标称阻抗更大的，额定电流会更小，直流导通电阻要更大，因为磁珠内部的线圈更长。