LM338T可調(diào)穩(wěn)壓器參數(shù)詳解

　　LM338T是一款廣泛應(yīng)用于各種電源管理場景的三端可調(diào)正電壓穩(wěn)壓器。它以其高輸出電流能力、優(yōu)異的負載和線路調(diào)整率以及內(nèi)置的過載和熱保護功能而聞名。本文將深入探討LM338T的主要參數(shù)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、典型應(yīng)用以及設(shè)計考量，旨在為工程師和電子愛好者提供全面的參考。

　　1. LM338T概述與主要特性

　　LM338T是美國國家半導(dǎo)體（National Semiconductor，現(xiàn)已被德州儀器TI收購）生產(chǎn)的一款線性穩(wěn)壓器，能夠提供超過5A的輸出電流，輸出電壓可在1.2V至32V之間連續(xù)可調(diào)。其“T”后綴通常表示TO-220封裝，這是一種常見的功率器件封裝，利于散熱。

　　LM338T的核心優(yōu)勢在于其高輸出電流能力。在實際應(yīng)用中，許多電子設(shè)備需要穩(wěn)定的高電流電源，而LM338T能夠輕松滿足這一需求，使其成為驅(qū)動電機、LED陣列、功率放大器以及其他大電流負載的理想選擇。

　　主要特性包括：

　　高輸出電流： 保證在適當(dāng)散熱條件下，可提供超過5A的輸出電流。這一特性使得LM338T在需要較大電流的應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢，例如為嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)控制設(shè)備或高性能音頻設(shè)備供電。

　　寬輸出電壓范圍： 輸出電壓可在1.2V至32V之間進行調(diào)節(jié)。這種靈活性允許設(shè)計者根據(jù)具體應(yīng)用需求精確設(shè)定輸出電壓，無論是為低壓數(shù)字電路供電，還是為高壓模擬電路提供電源。

　　出色的線路和負載調(diào)整率： 線路調(diào)整率典型值為0.005%/V，負載調(diào)整率典型值為0.1%。這意味著在輸入電壓或輸出負載發(fā)生較大變化時，LM338T仍能保持輸出電壓的穩(wěn)定。例如，當(dāng)輸入電源存在紋波或負載電流波動時，LM338T能夠有效地抑制這些干擾，確保輸出電壓的純凈和穩(wěn)定。

　　內(nèi)置過載保護： 集成了限流保護和熱關(guān)斷保護功能。限流保護可防止輸出電流超過預(yù)設(shè)值，從而保護穩(wěn)壓器本身和下游負載免受過流損害。熱關(guān)斷保護則在芯片溫度過高時自動關(guān)閉穩(wěn)壓器，以防止熱損壞，這對于在高環(huán)境溫度或大電流負載下工作的應(yīng)用尤為重要。

　　標準三端器件： 采用標準的TO-220封裝，引腳配置直觀，方便設(shè)計和安裝。其引腳通常包括輸入、輸出和調(diào)整端（ADJ）。

　　紋波抑制比高： 對輸入紋波具有良好的抑制能力，有助于提供更平滑的輸出直流電壓。在高噪聲或開關(guān)電源前端應(yīng)用中，這一特性尤為關(guān)鍵。

　　2. LM338T引腳配置與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　LM338T通常采用TO-220封裝，引腳排列如下：

　　引腳1 (ADJ/調(diào)節(jié)端): 用于連接分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，以設(shè)定輸出電壓。通過改變連接在該引腳和輸出端之間的電阻分壓比，可以精確地調(diào)整輸出電壓。

　　引腳2 (OUT/輸出端): 穩(wěn)壓器的直流輸出端，提供穩(wěn)定的電壓給負載。

　　引腳3 (IN/輸入端): 穩(wěn)壓器的直流輸入端，連接到未穩(wěn)壓的直流電源。

　　內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化視圖：

　　LM338T的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，但可以簡化理解為包含以下幾個主要功能模塊：

　　基準電壓源： 提供一個非常精確和穩(wěn)定的內(nèi)部基準電壓（通常為1.25V），這是決定輸出電壓精度的基礎(chǔ)。

　　誤差放大器： 比較基準電壓與輸出電壓采樣值（通過外部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)獲得），并根據(jù)兩者之間的誤差產(chǎn)生一個控制信號。

　　調(diào)整元件（功率晶體管）： 通常是一個NPN功率晶體管或達林頓管，作為串聯(lián)調(diào)整元件，根據(jù)誤差放大器的控制信號來調(diào)整其導(dǎo)通程度，從而維持輸出電壓的穩(wěn)定。

　　電流限制電路： 監(jiān)測輸出電流，當(dāng)電流超過預(yù)設(shè)閾值時，降低調(diào)整元件的導(dǎo)通程度，以限制輸出電流。

　　熱關(guān)斷電路： 監(jiān)測芯片內(nèi)部溫度，當(dāng)溫度超過安全范圍時，強制關(guān)斷調(diào)整元件，保護芯片免受熱損壞。

　　3. LM338T工作原理

　　LM338T的工作原理是基于負反饋環(huán)路。其核心思想是通過持續(xù)地比較輸出電壓的一部分與一個內(nèi)部精確的基準電壓，然后根據(jù)兩者之間的差異來動態(tài)調(diào)整輸出電壓，使其保持穩(wěn)定。

　　電壓采樣： 通過連接在ADJ引腳和OUT引腳之間的外部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)（R1和R2），對輸出電壓進行采樣。分壓后的電壓反饋到誤差放大器的輸入端。

　　誤差比較： 誤差放大器將這個采樣電壓與內(nèi)部的1.25V基準電壓進行比較。

　　誤差放大： 如果采樣電壓與基準電壓不符，誤差放大器會產(chǎn)生一個誤差信號，并將其放大。

　　調(diào)整元件控制： 放大后的誤差信號用于控制串聯(lián)調(diào)整元件（功率晶體管）的導(dǎo)通程度。

　　如果輸出電壓偏低，誤差放大器會使調(diào)整元件的導(dǎo)通程度增加，從而允許更多的電流流向負載，提高輸出電壓。

　　如果輸出電壓偏高，誤差放大器會使調(diào)整元件的導(dǎo)通程度減小，從而減少流向負載的電流，降低輸出電壓。

　　穩(wěn)定輸出： 這種負反饋機制持續(xù)不斷地工作，使得輸出電壓被精確地調(diào)整并穩(wěn)定在設(shè)定值。

　　輸出電壓計算公式：

　　輸出電壓 V_OUT 由以下公式?jīng)Q定：

　　V_OUT=V_REFtimes(1+fracR2R1)+I_ADJtimesR2

　　其中：

　　V_REF 為內(nèi)部基準電壓，典型值為1.25V。

　　R1 和 R2 是外部連接的兩個分壓電阻。R1 連接在OUT和ADJ引腳之間，R2 連接在ADJ引腳和地之間。

　　I_ADJ 是流經(jīng)ADJ引腳的電流，這個電流非常小，通常在50μA到100μA之間，在大多數(shù)應(yīng)用中可以忽略不計，尤其是在R2的阻值不是特別大的情況下。

　　簡化公式（忽略 I_ADJ）：

　　V_OUTapproxV_REFtimes(1+fracR2R1)

　　通常建議 R1 的阻值在100Ω到240Ω之間，以確保$I_{ADJ}$的影響最小化，并提供足夠的偏置電流。

　　4. LM338T電氣參數(shù)詳解

　　LM338T的電氣參數(shù)是評估其性能和適用性的關(guān)鍵。以下是一些重要的參數(shù)及其含義：

　　4.1 輸出電壓范圍 (Output Voltage Range)

　　典型值： 1.2V to 32V

　　說明： 這是LM338T能夠穩(wěn)定輸出的電壓范圍。最低輸出電壓受內(nèi)部基準電壓和ADJ引腳電流的影響，最高輸出電壓則受限于輸入電壓和最大允許壓差。

　　4.2 輸出電流 (Output Current)

　　典型值： 5A (Min)

　　最大值： 7A (Peak)

　　說明： LM338T在適當(dāng)散熱條件下，可提供至少5A的連續(xù)輸出電流。峰值電流可能更高，但持續(xù)時間有限。實際可達到的最大電流取決于輸入/輸出壓差、環(huán)境溫度和散熱條件。過高的電流和壓差會導(dǎo)致芯片內(nèi)部功耗過大，觸發(fā)熱保護。

　　4.3 線路調(diào)整率 (Line Regulation)

　　典型值： 0.005%/V

　　最大值： 0.02%/V

　　說明： 衡量當(dāng)輸入電壓變化時，輸出電壓保持穩(wěn)定的能力。例如，0.005%/V意味著輸入電壓每變化1V，輸出電壓變化0.005%。這個值越小，穩(wěn)壓性能越好。

　　4.4 負載調(diào)整率 (Load Regulation)

　　典型值： 0.1% (IOUT = 10mA to 5A)

　　最大值： 0.3% (IOUT = 10mA to 5A)

　　說明： 衡量當(dāng)輸出負載電流變化時，輸出電壓保持穩(wěn)定的能力。0.1%意味著當(dāng)負載電流在規(guī)定范圍內(nèi)變化時，輸出電壓變化量為設(shè)定輸出電壓的0.1%。這個值越小，穩(wěn)壓性能越好。

　　4.5 輸入-輸出壓差 (Dropout Voltage)

　　典型值： 3V (at 5A)

　　最大值： 4V (at 5A)

　　說明： 穩(wěn)壓器正常工作所需的最小輸入電壓與輸出電壓之間的差值。例如，如果需要輸出12V，那么輸入電壓至少要達到15V（假設(shè)壓差為3V）。當(dāng)輸入電壓過低，無法維持足夠的壓差時，穩(wěn)壓器將無法正常穩(wěn)壓。

　　4.6 最小負載電流 (Minimum Load Current)

　　典型值： 10mA

　　說明： 為了確保LM338T內(nèi)部的誤差放大器和基準電壓源正常工作，需要一個最小的輸出電流。如果負載電流低于此值，穩(wěn)壓性能可能會下降或不穩(wěn)定。通常，用于設(shè)置輸出電壓的R2電阻可以提供這部分最小負載電流。

　　4.7 靜態(tài)電流 (Quiescent Current / I_ADJ)

　　典型值： 50μA

　　最大值： 100μA

　　說明： 流經(jīng)ADJ引腳的電流。這個電流通常很小，在計算輸出電壓時可以忽略，但在某些對精度要求極高的應(yīng)用中，或當(dāng)R2阻值很大時，可能需要考慮其影響。

　　4.8 紋波抑制比 (Ripple Rejection Ratio)

　　典型值： 75dB (at 120Hz)

　　說明： 衡量穩(wěn)壓器抑制輸入交流紋波的能力。75dB意味著輸入紋波電壓會被衰減約5600倍。較高的紋波抑制比意味著輸出電壓更加平滑。

　　4.9 熱關(guān)斷溫度 (Thermal Shutdown Temperature)

　　典型值： 165°C

　　說明： 當(dāng)芯片內(nèi)部溫度達到此閾值時，LM338T會自動關(guān)閉輸出，以防止過熱損壞。當(dāng)溫度下降到安全范圍后，穩(wěn)壓器會自動恢復(fù)工作。

　　4.10 工作結(jié)溫范圍 (Operating Junction Temperature Range)

　　商用級： 0°C to 125°C

　　工業(yè)級/軍用級： 更寬的范圍，例如-40°C to 125°C 或 -55°C to 150°C (具體取決于型號后綴)

　　說明： LM338T能夠正常工作的內(nèi)部結(jié)溫范圍。長時間在此范圍外工作可能會導(dǎo)致性能下降或器件損壞。

　　5. LM338T典型應(yīng)用電路

　　LM338T的典型應(yīng)用電路相對簡單，但正確選擇外部元件至關(guān)重要。

　　5.1 基本可調(diào)穩(wěn)壓器電路

　　這是一個最常見、最基本的LM338T應(yīng)用電路。

　　Vin (+) ---+-----(3) IN                  |                  |        電容 C_IN |                  |                  |       GND --------+-----(1) ADJ --+---- R2 ------ GND                  |                |                  |                R1                  |                |                  +-----(2) OUT ---+---- Vout (+)                  |        電容 C_OUT|                  |       GND --------+

　　元件選擇：

　　輸入電容 (C_IN): 建議在LM338T的IN引腳和地之間放置一個0.1μF至1μF的電容。這個電容用于改善瞬態(tài)響應(yīng)，并濾除輸入電源上的高頻噪聲。如果輸入電源距離LM338T較遠（例如超過15厘米），則建議使用一個更大的電解電容（例如10μF或更大）來進一步穩(wěn)定輸入電壓。

　　輸出電容 (C_OUT): 建議在LM338T的OUT引腳和地之間放置一個1μF至10μF的電容。這個電容有助于改善負載瞬態(tài)響應(yīng)，減少輸出紋波和噪聲，并提高電路的穩(wěn)定性。對于高頻負載或快速變化的負載，可能需要更大的輸出電容或并聯(lián)一個小型陶瓷電容。

　　分壓電阻 (R1, R2): 用于設(shè)置輸出電壓。通常，R1 選擇100Ω至240Ω之間的固定電阻。R2 可以是固定電阻或可調(diào)電位器（如1kΩ或5kΩ），以便靈活調(diào)整輸出電壓。建議使用金屬膜電阻，以獲得更好的溫度穩(wěn)定性和精度。

　　5.2 大電流應(yīng)用注意事項

　　雖然LM338T額定輸出電流為5A，但在實際大電流應(yīng)用中，必須注意以下幾點：

　　散熱： LM338T會以熱量的形式耗散輸入與輸出電壓差乘以輸出電流的功率。例如，如果輸入20V，輸出10V，輸出電流5A，則耗散功率為 (20V?10V)times5A=50W。如此大的功耗必須通過合適的散熱器散發(fā)出去。否則，芯片溫度會迅速升高，觸發(fā)熱關(guān)斷，導(dǎo)致輸出電壓中斷。散熱器的選擇應(yīng)基于最大功耗和環(huán)境溫度，并確保良好的熱接觸。通常需要使用導(dǎo)熱硅脂和絕緣墊片。

　　輸入電源能力： 確保輸入電源能夠提供LM338T所需的最大電流，并且具有足夠的余量。

　　導(dǎo)線線徑： 在大電流路徑上，使用足夠粗的導(dǎo)線或銅排，以減少電壓降和能量損耗。細導(dǎo)線會產(chǎn)生顯著的IR壓降，影響穩(wěn)壓性能，并增加發(fā)熱。

　　地線連接： 采用星形接地或單點接地方式，以避免地線上的電流環(huán)路引起的噪聲和電壓降，從而提高穩(wěn)壓性能和穩(wěn)定性。

　　5.3 帶有短路保護和過溫保護的電源

　　LM338T內(nèi)置的過載和熱關(guān)斷保護功能使其非常適合構(gòu)建可靠的電源。在設(shè)計時，應(yīng)確保這些保護功能在極端情況下能夠有效工作。

　　短路保護： 當(dāng)輸出端意外短路時，內(nèi)置的限流功能會限制輸出電流在一個安全值，防止LM338T和電源進一步損壞。

　　過熱保護： 如果LM338T的結(jié)溫超過預(yù)設(shè)閾值（約165°C），它會自動關(guān)閉輸出。當(dāng)結(jié)溫下降到安全水平后，器件會重新啟動。

　　6. LM338T設(shè)計考量與注意事項

　　成功應(yīng)用LM338T需要考慮多個設(shè)計方面，以確保其性能、穩(wěn)定性和可靠性。

　　6.1 散熱管理

　　這是LM338T在大電流應(yīng)用中最關(guān)鍵的考慮因素。

　　功耗計算： 功耗 P_D=(V_IN?V_OUT)timesI_OUT。計算在最壞情況下（最大輸入電壓，最小輸出電壓，最大輸出電流）的功耗。

　　熱阻： 了解TO-220封裝的熱阻（結(jié)到殼 R_JC，殼到環(huán)境 R_CA，結(jié)到環(huán)境 R_JA）。結(jié)到環(huán)境的熱阻 R_JA=R_JC+R_CS+R_SA，其中 R_CS 是殼到散熱器的熱阻（依賴于絕緣墊片和導(dǎo)熱膏），R_SA 是散熱器到環(huán)境的熱阻。

　　散熱器選擇： 根據(jù)最大允許結(jié)溫 (T_Jmax)，最高環(huán)境溫度 (T_Amax)，以及計算出的最大功耗 (P_D) 來選擇合適的散熱器。所需散熱器的熱阻應(yīng)滿足以下條件：R_SAleq(T_Jmax?T_Amax)/P_D?R_JC?R_CS。通常需要選擇遠小于計算值的散熱器，以留有裕量。

　　安裝： 確保LM338T與散熱器之間有良好的熱接觸，使用導(dǎo)熱硅脂并正確擰緊螺絲。如果散熱器與電路板的地線沒有連接，可能需要使用絕緣墊片。

　　6.2 輸入電壓范圍

　　最大輸入電壓： LM338T的輸入電壓不應(yīng)超過其絕對最大額定值（通常為35V或40V，具體取決于數(shù)據(jù)手冊）。超過此值可能導(dǎo)致永久性損壞。

　　最小輸入電壓： 輸入電壓必須始終高于輸出電壓加上最小壓差（通常為3V-4V）。如果輸入電壓過低，LM338T將無法穩(wěn)定輸出。

　　6.3 瞬態(tài)響應(yīng)

　　輸入/輸出電容： 前述的輸入和輸出電容對于改善瞬態(tài)響應(yīng)至關(guān)重要。它們可以在負載電流突然變化時提供瞬時能量，從而減少輸出電壓的波動。

　　ESR/ESL： 建議選用低等效串聯(lián)電阻（ESR）和低等效串聯(lián)電感（ESL）的電容，以獲得更好的高頻性能和瞬態(tài)響應(yīng)。

　　6.4 穩(wěn)定性問題

　　寄生電感和電容： 不合理的PCB布局可能引入寄生電感和電容，影響穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性，尤其是在高頻下。

　　ADJ引腳布局： ADJ引腳上的分壓電阻 R2 應(yīng)盡可能靠近LM338T的ADJ引腳，并且其接地端應(yīng)直接連接到OUT引腳的負載地，以避免地線上的電壓降影響調(diào)節(jié)精度。

　　輸入/輸出走線： 寬而短的輸入和輸出走線可以減少阻抗，提高穩(wěn)壓性能。

　　6.5 保護電路

　　盡管LM338T內(nèi)置了保護功能，但在某些極端情況下，額外的保護電路可能是有益的。

　　反向保護： 如果輸入電源可能發(fā)生反接，可以在輸入端串聯(lián)一個二極管進行保護。

　　輸出反向電壓保護： 當(dāng)LM338T斷電而輸出電容或外部負載仍然有電壓時，可能會出現(xiàn)輸出電壓高于輸入電壓的情況，這可能損壞穩(wěn)壓器。在這種情況下，可以在OUT和IN引腳之間并聯(lián)一個肖特基二極管（IN極接IN引腳，OUT極接OUT引腳），以提供泄放路徑。

　　7. LM338T與其他穩(wěn)壓器的比較

　　在電源管理領(lǐng)域，除了LM338T，還有許多其他類型的穩(wěn)壓器，每種都有其獨特的優(yōu)勢和適用場景。

　　與LM317的比較： LM317是LM338T的“小兄弟”，主要區(qū)別在于最大輸出電流。LM317通常只能提供1.5A的電流，而LM338T可以提供5A。因此，LM338T適用于需要更大電流的應(yīng)用，而LM317則更適合低功耗或中等電流的應(yīng)用。兩者的基本工作原理和調(diào)壓公式相似。

　　與開關(guān)穩(wěn)壓器（如降壓轉(zhuǎn)換器）的比較：

　　效率： 開關(guān)穩(wěn)壓器（如降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器）的效率通常遠高于線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器以熱量形式耗散多余能量，因此在輸入輸出壓差大或電流大時效率很低。開關(guān)穩(wěn)壓器則通過開關(guān)動作來轉(zhuǎn)換能量，效率可達85%至95%。

　　噪聲： 線性穩(wěn)壓器通常輸出噪聲較低，紋波較小，更適合對電源純凈度要求高的應(yīng)用，如音頻設(shè)備、射頻電路等。開關(guān)穩(wěn)壓器會產(chǎn)生開關(guān)噪聲，可能需要額外的濾波來降低。

　　復(fù)雜性： 線性穩(wěn)壓器電路簡單，元件少，易于設(shè)計和調(diào)試。開關(guān)穩(wěn)壓器電路相對復(fù)雜，通常需要電感、肖特基二極管等元件，且PCB布局對性能影響較大。

　　成本： 在低功率應(yīng)用中，線性穩(wěn)壓器成本更低。在高功率或大壓差應(yīng)用中，盡管線性穩(wěn)壓器本身芯片成本可能低，但由于需要大尺寸散熱器，整體成本可能上升，而開關(guān)穩(wěn)壓器可能更具成本效益。

　　總結(jié)： LM338T作為一款線性穩(wěn)壓器，在對噪聲敏感、電路簡單、以及輸入輸出壓差和電流不是極端大的高電流應(yīng)用中，仍然是極具吸引力的選擇。對于高效率、小體積或電池供電的應(yīng)用，開關(guān)穩(wěn)壓器可能是更好的選擇。

　　8. 結(jié)語

　　LM338T是一款功能強大、可靠性高的可調(diào)正電壓穩(wěn)壓器，憑借其高輸出電流、寬電壓調(diào)節(jié)范圍和完善的保護功能，在各種電子設(shè)備和電源設(shè)計中發(fā)揮著重要作用。深入理解其參數(shù)、工作原理和設(shè)計考量，將有助于工程師們更有效地利用LM338T，設(shè)計出穩(wěn)定、高效且安全的電源解決方案。