LM338T可調穩壓器參數詳解

　　LM338T是一款廣泛應用于各種電源管理場景的三端可調正電壓穩壓器。它以其高輸出電流能力、優異的負載和線路調整率以及內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、內部結構、工作原理、典型應用以及設計考量，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是美國國家半導體（National Semiconductor，現已被德州儀器TI收購）生產的一款線性穩壓器，能夠提供超過5A的輸出電流，輸出電壓可在1.2V至32V之間連續可調。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的核心優勢在于其高輸出電流能力。在實際應用中，許多電子設備需要穩定的高電流電源，而LM338T能夠輕松滿足這一需求，使其成為驅動電機、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用中具有顯著優勢，例如為嵌入式系統、工業控制設備或高性能音頻設備供電。

　　寬輸出電壓范圍： 輸出電壓可在1.2V至32V之間進行調節。這種靈活性允許設計者根據具體應用需求精確設定輸出電壓，無論是為低壓數字電路供電，還是為高壓模擬電路提供電源。

　　出色的線路和負載調整率： 線路調整率典型值為0.005%/V，負載調整率典型值為0.1%。這意味著在輸入電壓或輸出負載發生較大變化時，LM338T仍能保持輸出電壓的穩定。例如，當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定。

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

　　標準三端器件： 采用標準的TO-220封裝，引腳配置直觀，方便設計和安裝。其引腳通常包括輸入、輸出和調整端（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。在高噪聲或開關電源前端應用中，這一特性尤為關鍵。

　　2. LM338T引腳配置與內部結構

　　LM338T通常采用TO-220封裝，引腳排列如下：

　　引腳1 (ADJ/調節端): 用于連接分壓電阻網絡，以設定輸出電壓。通過改變連接在該引腳和輸出端之間的電阻分壓比，可以精確地調整輸出電壓。

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

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

　　內部結構簡化視圖：

　　LM338T的內部結構相對復雜，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定的內部基準電壓（通常為1.25V），這是決定輸出電壓精度的基礎。

　　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絡獲得），并根據兩者之間的誤差產生一個控制信號。

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

　　電流限制電路： 監測輸出電流，當電流超過預設閾值時，降低調整元件的導通程度，以限制輸出電流。

　　熱關斷電路： 監測芯片內部溫度，當溫度超過安全范圍時，強制關斷調整元件，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路。其核心思想是通過持續地比較輸出電壓的一部分與一個內部精確的基準電壓，然后根據兩者之間的差異來動態調整輸出電壓，使其保持穩定。

　　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絡（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，誤差放大器會產生一個誤差信號，并將其放大。

　　調整元件控制： 放大后的誤差信號用于控制串聯調整元件（功率晶體管）的導通程度。

　　如果輸出電壓偏低，誤差放大器會使調整元件的導通程度增加，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，誤差放大器會使調整元件的導通程度減小，從而減少流向負載的電流，降低輸出電壓。

　　穩定輸出： 這種負反饋機制持續不斷地工作，使得輸出電壓被精確地調整并穩定在設定值。

　　輸出電壓計算公式：

　　輸出電壓 V_OUT 由以下公式決定：

　　V_OUT=V_REFtimes(1+fracR2R1)+I_ADJtimesR2

　　其中：

　　V_REF 為內部基準電壓，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，在大多數應用中可以忽略不計，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電氣參數詳解

　　LM338T的電氣參數是評估其性能和適用性的關鍵。以下是一些重要的參數及其含義：

　　4.1 輸出電壓范圍 (Output Voltage Range)

　　典型值： 1.2V to 32V

　　說明： 這是LM338T能夠穩定輸出的電壓范圍。最低輸出電壓受內部基準電壓和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在適當散熱條件下，可提供至少5A的連續輸出電流。峰值電流可能更高，但持續時間有限。實際可達到的最大電流取決于輸入/輸出壓差、環境溫度和散熱條件。過高的電流和壓差會導致芯片內部功耗過大，觸發熱保護。

　　4.3 線路調整率 (Line Regulation)

　　典型值： 0.005%/V

　　最大值： 0.02%/V

　　說明： 衡量當輸入電壓變化時，輸出電壓保持穩定的能力。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，穩壓性能越好。

　　4.4 負載調整率 (Load Regulation)

　　典型值： 0.1% (IOUT = 10mA to 5A)

　　最大值： 0.3% (IOUT = 10mA to 5A)

　　說明： 衡量當輸出負載電流變化時，輸出電壓保持穩定的能力。0.1%意味著當負載電流在規定范圍內變化時，輸出電壓變化量為設定輸出電壓的0.1%。這個值越小，穩壓性能越好。

　　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（假設壓差為3V）。當輸入電壓過低，無法維持足夠的壓差時，穩壓器將無法正常穩壓。

　　4.6 最小負載電流 (Minimum Load Current)

　　典型值： 10mA

　　說明： 為了確保LM338T內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，穩壓性能可能會下降或不穩定。通常，用于設置輸出電壓的R2電阻可以提供這部分最小負載電流。

　　4.7 靜態電流 (Quiescent Current / I_ADJ)

　　典型值： 50μA

　　最大值： 100μA

　　說明： 流經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用中，或當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 熱關斷溫度 (Thermal Shutdown Temperature)

　　典型值： 165°C

　　說明： 當芯片內部溫度達到此閾值時，LM338T會自動關閉輸出，以防止過熱損壞。當溫度下降到安全范圍后，穩壓器會自動恢復工作。

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

　　商用級： 0°C to 125°C

　　工業級/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能夠正常工作的內部結溫范圍。長時間在此范圍外工作可能會導致性能下降或器件損壞。

　　5. LM338T典型應用電路

　　LM338T的典型應用電路相對簡單，但正確選擇外部元件至關重要。

　　5.1 基本可調穩壓器電路

　　這是一個最常見、最基本的LM338T應用電路。

　　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響應，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響應，減少輸出紋波和噪聲，并提高電路的穩定性。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一個小型陶瓷電容。

　　分壓電阻 (R1, R2): 用于設置輸出電壓。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電位器（如1kΩ或5kΩ），以便靈活調整輸出電壓。建議使用金屬膜電阻，以獲得更好的溫度穩定性和精度。

　　5.2 大電流應用注意事項

　　雖然LM338T額定輸出電流為5A，但在實際大電流應用中，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出去。否則，芯片溫度會迅速升高，觸發熱關斷，導致輸出電壓中斷。散熱器的選擇應基于最大功耗和環境溫度，并確保良好的熱接觸。通常需要使用導熱硅脂和絕緣墊片。

　　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。

　　導線線徑： 在大電流路徑上，使用足夠粗的導線或銅排，以減少電壓降和能量損耗。細導線會產生顯著的IR壓降，影響穩壓性能，并增加發熱。

　　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路引起的噪聲和電壓降，從而提高穩壓性能和穩定性。

　　5.3 帶有短路保護和過溫保護的電源

　　LM338T內置的過載和熱關斷保護功能使其非常適合構建可靠的電源。在設計時，應確保這些保護功能在極端情況下能夠有效工作。

　　短路保護： 當輸出端意外短路時，內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的結溫超過預設閾值（約165°C），它會自動關閉輸出。當結溫下降到安全水平后，器件會重新啟動。

　　6. LM338T設計考量與注意事項

　　成功應用LM338T需要考慮多個設計方面，以確保其性能、穩定性和可靠性。

　　6.1 散熱管理

　　這是LM338T在大電流應用中最關鍵的考慮因素。

　　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（結到殼 R_JC，殼到環境 R_CA，結到環境 R_JA）。結到環境的熱阻 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熱膏），R_SA 是散熱器到環境的熱阻。

　　散熱器選擇： 根據最大允許結溫 (T_Jmax)，最高環境溫度 (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的輸入電壓不應超過其絕對最大額定值（通常為35V或40V，具體取決于數據手冊）。超過此值可能導致永久性損壞。

　　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將無法穩定輸出。

　　6.3 瞬態響應

　　輸入/輸出電容： 前述的輸入和輸出電容對于改善瞬態響應至關重要。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電阻（ESR）和低等效串聯電感（ESL）的電容，以獲得更好的高頻性能和瞬態響應。

　　6.4 穩定性問題

　　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，影響穩壓器的穩定性，尤其是在高頻下。

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

　　輸入/輸出走線： 寬而短的輸入和輸出走線可以減少阻抗，提高穩壓性能。

　　6.5 保護電路

　　盡管LM338T內置了保護功能，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生反接，可以在輸入端串聯一個二極管進行保護。

　　輸出反向電壓保護： 當LM338T斷電而輸出電容或外部負載仍然有電壓時，可能會出現輸出電壓高于輸入電壓的情況，這可能損壞穩壓器。在這種情況下，可以在OUT和IN引腳之間并聯一個肖特基二極管（IN極接IN引腳，OUT極接OUT引腳），以提供泄放路徑。

　　7. LM338T與其他穩壓器的比較

　　在電源管理領域，除了LM338T，還有許多其他類型的穩壓器，每種都有其獨特的優勢和適用場景。

　　與LM317的比較： LM317是LM338T的“小兄弟”，主要區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用，而LM317則更適合低功耗或中等電流的應用。兩者的基本工作原理和調壓公式相似。

　　與開關穩壓器（如降壓轉換器）的比較：

　　效率： 開關穩壓器（如降壓型DC-DC轉換器）的效率通常遠高于線性穩壓器。線性穩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。開關穩壓器則通過開關動作來轉換能量，效率可達85%至95%。

　　噪聲： 線性穩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用，如音頻設備、射頻電路等。開關穩壓器會產生開關噪聲，可能需要額外的濾波來降低。

　　復雜性： 線性穩壓器電路簡單，元件少，易于設計和調試。開關穩壓器電路相對復雜，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： 在低功率應用中，線性穩壓器成本更低。在高功率或大壓差應用中，盡管線性穩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，而開關穩壓器可能更具成本效益。

　　總結： LM338T作為一款線性穩壓器，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用，開關穩壓器可能是更好的選擇。

　　8. 結語

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