ULN2803ADWR 雙極晶體管陣列：深入解析

引言：ULN2803ADWR 的重要性

在現代電子設計中，接口器件扮演著至關重要的角色。它們是微控制器、數字邏輯電路與高功率負載之間溝通的橋梁，解決了幾毫安的微弱信號無法直接驅動高電流、高電壓設備的難題。在眾多接口芯片中，ULN2803ADWR 作為一款高性能的八路達林頓晶體管陣列，憑借其出色的驅動能力、高集成度、穩定性和經濟性，在工業控制、消費電子、汽車電子等多個領域得到了廣泛應用。它的出現極大地簡化了電路設計，降低了成本，并提升了系統的可靠性。理解ULN2803ADWR的工作原理、特性參數以及典型應用，對于任何從事電子設計與開發的工程師來說都具有重要意義。

ULN2803ADWR 概述

ULN2803ADWR 是一款由德州儀器（Texas Instruments，TI）等公司生產的高壓、高電流達林頓晶體管陣列。其核心特點在于集成了8個獨立的NPN達林頓晶體管，每個晶體管都配備了獨立的輸入和開路集電極輸出，以及一個用于續流保護的共用陰極鉗位二極管。這種設計使其能夠直接驅動感性負載，如繼電器、螺線管、步進電機等，而無需額外的續流電路。

“ADWR”通常是德州儀器對其封裝類型和卷帶包裝方式的標識，其中“DW”可能代表SOIC（Small Outline Integrated Circuit）寬體封裝，而“R”可能指卷帶包裝，方便自動化貼片生產。理解這一標識有助于在采購和生產中選擇正確的物料。

ULN2803ADWR 基礎知識

1. 達林頓晶體管原理

理解ULN2803ADWR，首先要深入了解其核心組成部分——達林頓晶體管。

達林頓晶體管，又稱達林頓對（Darlington Pair），是由兩個標準雙極結型晶體管（BJT）串聯連接而成的一種特殊結構。其主要目的是大幅度提高復合晶體管的電流增益（β或hFE）。

• 結構： 在一個達林頓對中，第一個晶體管（輸入晶體管）的發射極直接連接到第二個晶體管（輸出晶體管）的基極。兩個晶體管的集電極通常連接在一起。

• 工作原理： 當一個小的基極電流流入第一個晶體管的基極時，它會產生一個放大了的集電極電流。這個放大了的電流隨后成為第二個晶體管的基極電流，并再次被放大。因此，整個達林頓對的復合電流增益是兩個單獨晶體管電流增益的乘積：βtotal=β1×β2例如，如果兩個晶體管的電流增益都是100，那么達林頓對的總增益將達到10000。這種高增益使得達林頓對能夠用非常小的輸入電流驅動非常大的負載電流。

• 優點：

• 高電流增益： 這是達林頓對最顯著的優勢，使得微控制器等弱電流輸出端口能夠驅動大電流負載。

• 簡化驅動電路： 由于高增益，通常只需要一個電阻作為限流電阻連接到控制信號，而不需要復雜的多級放大電路。

• 缺點：

• 較高的飽和電壓（VCE(sat)）： 達林頓對的飽和電壓通常是兩個晶體管飽和電壓之和，這會導致在導通狀態下有更多的功耗，產生更多的熱量。

• 較慢的開關速度： 達林頓對在從導通到截止或從截止到導通的轉換過程中，由于內部存儲電荷的釋放和建立，通常比單個晶體管慢。這對于高速開關應用可能是一個限制。

• 溫度穩定性： 由于是兩個晶體管的組合，其溫度特性也需要更仔細的考慮。

在ULN2803ADWR中，每個獨立的驅動通道都由一個NPN達林頓晶體管構成，從而提供了強大的驅動能力。

2. 內部結構與引腳功能

ULN2803ADWR 通常采用18引腳的SOIC寬體封裝（DW），具體引腳功能如下：

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重要說明：

• 輸入引腳（IN）： 每個輸入引腳都串聯了一個限流電阻（通常約為2.7kΩ），這使得ULN2803ADWR可以直接與TTL、CMOS或PMOS邏輯電路接口，例如5V或3.3V的微控制器I/O口。當輸入為高電平（高于約2.7V，具體取決于數據手冊）時，對應的達林頓晶體管導通；當輸入為低電平（低于約1.2V）時，達林頓晶體管截止。

• 輸出引腳（OUT）： 輸出是開路集電極（Open-Collector）結構。這意味著當對應的達林頓晶體管導通時，輸出引腳被拉到地電位（低電平）；當達林頓晶體管截止時，輸出引腳處于高阻態（懸空），需要外部上拉電阻或連接到負載以提供電流路徑。這種結構允許輸出連接到不同電壓等級的負載，只需確保負載電流不超過器件的最大額定值。

• COM 引腳： COM引腳是一個非常重要的特性，它連接了所有達林頓管輸出級的發射極和共用續流二極管的陰極。當驅動感性負載（如繼電器、螺線管等）時，感性負載在斷開時會產生一個反向電動勢，如果沒有保護，這個高壓會損壞晶體管。ULN2803ADWR內部的續流二極管可以為這個反向電動勢提供一個通路，將能量回饋到電源或通過二極管耗散，從而保護達林頓晶體管。在驅動純阻性負載時，COM引腳可以懸空或連接到地。在驅動感性負載時，COM引腳通常連接到負載電源的正極。

3. 主要電氣特性參數

了解ULN2803ADWR的電氣特性參數對于正確設計和使用電路至關重要。以下是一些關鍵參數：

• 集電極電流（IC）: ULN2803ADWR的每個輸出通道能夠連續輸出高達500mA的電流。這是一個非常重要的參數，決定了它能夠驅動的負載類型和大小。盡管單個通道可承受500mA，但通常在實際應用中會考慮總電流限制，即所有通道的總電流不能超過一個特定值（例如2.5A），以防止芯片過熱。

• 集電極-發射極擊穿電壓（VCE(sus)）: 每個達林頓管的輸出能夠承受高達50V的電壓。這意味著它可以驅動工作電壓高達50V的負載，例如24V或48V的繼電器線圈。

• 輸入高電平電壓（VIH）: 驅動ULN2803ADWR輸入引腳的最小高電平電壓，通常在2.7V至3V之間。這表示它可以直接與3.3V或5V微控制器兼容。

• 輸入低電平電壓（VIL）: 驅動ULN2803ADWR輸入引腳的最大低電平電壓，通常在0.8V至1.2V之間。

• 導通電阻（RON）或飽和電壓（VCE(sat)）: 達林頓管導通時，集電極與發射極之間的電壓降。在ULN2803ADWR中，當輸出電流為350mA時，典型的VCE(sat)可能為1.6V。這個電壓降意味著芯片在導通時會消耗一定的功率（P = VCE(sat) × IC），從而產生熱量。較低的VCE(sat)意味著更高的效率和更少的熱量。

• 靜態電流（ICC）: 器件在未工作（所有通道截止）時的電源電流，通常很小。

• 響應時間（Turn-On/Turn-Off Time）: 開關速度參數，對于繼電器或螺線管驅動而言通常不是關鍵因素，但對于高頻開關應用則需要考慮。ULN2803ADWR的開關速度相對較慢，不適合MHz級別的開關。

• 工作溫度范圍： 工業級ULN2803ADWR通常支持-40°C至+85°C的寬溫度范圍，適用于各種工業環境。

• 功耗（PD）: 器件可以安全耗散的最大功率。這是由封裝和散熱條件決定的。如果多個通道同時導通且電流較大，總功耗可能會達到上限，需要考慮散熱措施。

ULN2803ADWR 工作原理詳解

ULN2803ADWR 的工作原理相對直觀，可以概括為以下幾點：

1. 輸入信號控制：

• 當某個通道的輸入引腳（例如1IN）接收到高電平信號（例如來自微控制器的3.3V或5V邏輯高電平）時，該信號通過內部的限流電阻（通常是2.7kΩ）加到達林頓對的第一個晶體管的基極。

• 這個電流使第一個晶體管導通，并產生一個被放大的集電極電流，該電流隨即作為第二個晶體管的基極電流。

• 第二個晶體管也被導通，其集電極與對應的輸出引腳（例如1OUT）連接。

2. 開路集電極輸出：

• 當達林頓對導通時，對應的輸出引腳（OUT）的集電極被拉低至接近地電位（約VCE(sat)）。這意味著輸出呈現一個低阻抗通路到地。

• 如果負載連接在輸出引腳和負載電源之間（通常是正電源），電流將從負載電源流過負載，再流過導通的達林頓晶體管，最終流向地，從而驅動負載工作。

• 當輸入引腳為低電平（或懸空）時，達林頓對截止。此時，輸出引腳處于高阻態，相當于斷開狀態。電流不再流過負載，負載停止工作。

3. 續流二極管保護（COM引腳的作用）：

• 這是ULN2803ADWR的一個重要特色，特別適用于驅動感性負載。

• 感性負載（如繼電器、螺線管、電機線圈）在電流被突然切斷時，會產生一個與電流方向相反的瞬時高電壓（反向電動勢），試圖維持電流的連續性。這個電壓可能遠遠超過芯片的額定電壓，從而損壞達林頓管。

• ULN2803ADWR內部集成了8個獨立的續流二極管，它們的陰極連接在一起形成COM引腳，陽極則分別連接到達林頓管的集電極（即輸出引腳）。

• 當達林頓管從導通狀態迅速切換到截止狀態時，感性負載產生的反向電動勢會使輸出引腳的電壓迅速升高，超過COM引腳連接的電源電壓。此時，內部的續流二極管會正向偏置導通，為感性負載的電流提供一個泄放通路（從感性負載經過二極管流向COM引腳所連接的電源）。

• 這有效地鉗位了輸出引腳上的電壓，防止其超過ULN2803ADWR的最大額定電壓，從而保護了芯片不受過壓損壞。

• 注意： 如果驅動的是純阻性負載（如LED燈串，電阻等），則COM引腳可以懸空或連接到地。但為了通用性，通常建議連接到負載電源的正極。

ULN2803ADWR 典型應用場景

ULN2803ADWR因其多路驅動、高電流能力和內置保護的特點，在許多電子設計中都發揮著重要作用：

1. 繼電器驅動：

• 這是ULN2803ADWR最經典的應用之一。微控制器I/O口通常無法直接驅動繼電器線圈（繼電器線圈電流可能在幾十毫安到幾百毫安之間，且為感性負載）。

• ULN2803ADWR的每個通道可以輕松驅動一個12V或24V的繼電器，并利用內部續流二極管提供保護。

• 連接方式： 微控制器I/O -> ULN2803ADWR IN -> ULN2803ADWR OUT -> 繼電器線圈一端 -> 繼電器電源正極。ULN2803ADWR的COM引腳連接到繼電器電源正極。

2. 步進電機驅動：

• 對于簡單的兩相或四相步進電機，ULN2803ADWR可以作為驅動器。它通常需要與H橋驅動電路配合，或者用于簡化驅動步進電機的線圈切換。

• 對于雙極性步進電機，可能需要兩個ULN2803ADWR來形成H橋。對于單極性步進電機，ULN2803ADWR可以直接驅動其線圈。

• 注意： 對于大功率步進電機，可能需要更大電流的驅動器。

3. 螺線管驅動：

• 類似于繼電器，螺線管（Solenoid）也是常見的感性負載，用于閥門控制、門鎖等。ULN2803ADWR同樣能夠有效驅動并提供續流保護。

4. LED燈串驅動/顯示屏驅動：

• 當需要驅動多路高電流的LED燈串時，ULN2803ADWR可以作為低側開關（Low-Side Switch），即連接LED燈串的低端。

• 在點陣顯示屏或七段數碼管的共陰極驅動中，ULN2803ADWR可以作為段驅動器或位驅動器，用于吸入流過LED的電流。

5. 蜂鳴器驅動：

• 驅動一些需要較大電流的蜂鳴器或報警器。

6. 打印機、自動販賣機、辦公自動化設備等中的通用接口：

• 在這些設備中，通常有許多需要控制的電磁閥、電機、指示燈等，ULN2803ADWR能夠提供經濟高效的多路驅動方案。

7. 功率晶體管和MOSFET的柵極驅動（小電流場合）：

• 盡管ULN2803ADWR本身是功率驅動器，但在某些低速、低功率場合，它也可以用來驅動更大功率的晶體管或MOSFET的基極/柵極，作為二級放大。

ULN2803ADWR 的優勢與局限性

優勢：

1. 高集成度： 在單個封裝內集成了8個獨立的達林頓晶體管，節省了PCB空間和物料成本，簡化了布線。

2. 強大的驅動能力： 每個通道高達500mA的連續電流和50V的電壓承受能力，使其能夠驅動大多數中小型繼電器、螺線管、LED陣列等。

3. 內置續流二極管： 這是一項非常重要的功能，免去了為每個感性負載額外添加續流二極管的麻煩，顯著降低了BOM成本和設計復雜性，并提高了可靠性。

4. 直接邏輯兼容性： 輸入內置限流電阻，可以直接與TTL、CMOS、PMOS邏輯電平（如微控制器的3.3V/5V I/O）兼容，無需額外的電平轉換電路。

5. 高可靠性： 作為成熟的產品，ULN2803ADWR具有良好的穩定性和可靠性，廣泛應用于工業領域。

6. 成本效益高： 由于其普及性和高產量，ULN2803ADWR的價格相對較低，是經濟高效的解決方案。

7. 多種封裝選擇： 提供DIP、SOIC、SOP等多種封裝，方便不同應用和生產工藝的需求。

局限性：

1. 較高的飽和電壓（VCE(sat)）： 達林頓對的固有缺點，導致在導通狀態下有較大的壓降，從而產生較多功耗（發熱），影響效率。對于需要極高效率的應用，可能需要考慮MOSFET驅動器。

2. 較慢的開關速度： 不適合高速PWM或高頻開關應用。其開關延遲通常在微秒級別，而一些MOSFET驅動器可以達到納秒級別。

3. 功耗限制： 盡管單個通道可達500mA，但芯片的總功耗受到封裝散熱能力的限制。當所有通道同時驅動大電流負載時，必須注意芯片溫升，可能需要額外的散熱措施或降低每個通道的平均電流。

4. 僅適用于低側驅動： ULN2803ADWR是NPN晶體管陣列，只能作為低側開關（Low-Side Switch），即負載的一端連接到正電源，另一端連接到ULN2803ADWR的輸出引腳。它不能用于高側驅動（High-Side Switch）。

5. 無法實現電流限制： ULN2803ADWR沒有內置的過流保護功能，如果負載發生短路，可能會導致芯片損壞。需要外部電路實現電流限制或熔斷保護。

6. 部分替代方案的出現： 隨著技術發展，一些新的集成驅動芯片，特別是基于MOSFET的驅動器，在效率和開關速度方面表現更優，可能在特定應用中取代ULN2803ADWR。

ULN2803ADWR 的選型與替代

選型考慮：

在選擇ULN2803ADWR時，需要考慮以下因素：

• 負載類型： 是否為感性負載？如果是，內置續流二極管會帶來很大便利。

• 負載電流： 每個通道的最大電流是否在500mA以內？所有通道的總電流是否在芯片的總功耗允許范圍內？

• 負載電壓： 負載的工作電壓是否在50V以內？

• 輸入邏輯電平： 是否與微控制器或上游邏輯電路的輸出電平兼容？

• 開關速度要求： 應用是否對開關速度有嚴格要求？

• 封裝類型： 根據PCB尺寸、生產工藝（手工焊接或自動化貼片）選擇合適的封裝。

• 成本： ULN2803ADWR通常是經濟的選擇。

相關型號與替代方案：

• ULN2003系列： 與ULN2803ADWR類似，但為七路達林頓晶體管陣列，引腳數更少（通常為16引腳）。在只需要7個或更少通道的應用中，ULN2003可能更具成本效益。

• ULQ2003A / ULQ2803A： 這些通常是兼容的達林頓陣列，可能由不同的制造商生產，參數上略有差異，但功能相似。

• TBD62083AFWG (Toshiba)： 東芝等公司也生產兼容的八路達林頓晶體管陣列，如TBD62083AFWG，通常具有更低的飽和電壓和更高的總電流能力，以提高效率和降低發熱。這些可能是ULN2803ADWR的升級或高性能替代品。

• TPL7407L (TI)： 一些基于MOSFET的低側驅動器，如TPL7407L，可以提供比達林頓陣列更低的導通電阻（更低的VCE(sat)），從而實現更高的效率和更小的發熱。它們通常沒有內置續流二極管（因為MOSFET通常有內置體二極管，但在驅動感性負載時可能需要額外的外部肖特基二極管以獲得更好的保護）。

• 隔離柵驅動器 + 分立MOSFET： 對于需要高功率、高效率和電氣隔離的應用，可能會選擇使用隔離柵驅動器來驅動分立的功率MOSFET。

• 集成H橋驅動器： 對于直流有刷電機或雙極性步進電機，L298N、DRV8825等集成H橋驅動器可能是更優的選擇，它們集成了高側和低側開關功能。

設計注意事項與最佳實踐

在使用ULN2803ADWR進行電路設計時，應注意以下幾點：

1. 功耗與散熱：

• 計算功耗： 當達林頓管導通時，會產生熱量。每個通道的功耗 Pchannel=IC×VCE(sat)。整個芯片的總功耗 Ptotal=∑Pchannel。

• 檢查數據手冊： 對比計算出的總功耗與數據手冊中封裝的最大允許功耗（PD）。如果超出，需要采取散熱措施（如增加PCB銅面積作為散熱片），或者降低負載電流，甚至考慮使用導通電阻更低的驅動器。

• 并聯通道： 為了分擔電流和降低單個通道的功耗，有時可以將多個通道的輸入和輸出并聯起來驅動單個大電流負載。例如，將2個通道并聯以驅動1A的負載，每個通道分擔500mA。但需要注意，并聯時要確保輸入信號同時到達，且輸出線的阻抗匹配。

2. 續流二極管的連接：

• 感性負載： 務必將COM引腳連接到感性負載電源的正極。這是提供續流路徑的關鍵。

• 阻性負載： 驅動純阻性負載時，COM引腳可以懸空或連接到地。但為了電路的通用性和防止誤用，通常建議即使驅動阻性負載也將其連接到負載電源正極（如果負載電源是單一的），以提供最大的保護。

3. 輸入信號：

• 確保輸入信號的電壓電平在ULN2803ADWR的VIH和VIL范圍內。通常，微控制器的3.3V或5V邏輯電平可以直接驅動。

• 輸入電流通常很小（微安級別），所以對微控制器的I/O口驅動能力要求不高。

4. 輸出負載連接：

• ULN2803ADWR是低側開關，負載的一端必須連接到正電源，另一端連接到ULN2803ADWR的輸出引腳。

• 不要嘗試將負載的一端接地，另一端連接到ULN2803ADWR的輸出，并期待它作為高側開關工作。

5. 電源去耦：

• 雖然ULN2803ADWR對電源噪聲相對不敏感，但為了確保穩定性，在靠近芯片的VCC（如果有，但ULN2803ADWR通常不需要單獨的VCC引腳，直接由輸入信號提供工作電流）和GND之間放置一個0.1uF的陶瓷電容進行去耦是一個好的實踐。對于ULN2803ADWR，其內部結構簡化了電源管理，因為它主要是一個電流吸入器件，不像需要獨立供電的數字IC那樣對VCC去耦有嚴格要求。然而，良好的接地布局和電源完整性仍然重要。

6. PCB布局：

• 確保電源和地線足夠粗，以承受大電流，避免過大的壓降。

• 感性負載的走線應盡量短，減少電磁干擾（EMI）。

• 注意熱量的散發，為芯片提供足夠的散熱銅面積。

7. ESD保護：

• 在設計時考慮靜電放電（ESD）保護，尤其是在輸入和輸出引腳處，盡管ULN2803ADWR本身具有一定的ESD耐受能力。

總結

ULN2803ADWR 作為一款經典且功能強大的八路達林頓晶體管陣列，憑借其高集成度、優秀的電流驅動能力、內置續流保護以及與邏輯電平的良好兼容性，在眾多中低功率驅動應用中占據了不可替代的地位。它極大地簡化了繼電器、螺線管、步進電機和LED等感性或大電流負載的驅動電路設計，有效降低了成本并提高了系統可靠性。

盡管存在飽和電壓較高和開關速度相對較慢的局限性，但對于其主要應用場景——非高速、中等電流的開關和驅動需求——ULN2803ADWR 仍然是工程師們的首選器件之一。深入理解其工作原理、電氣特性和應用技巧，將使您在電子設計中更加游刃有余。隨著電子技術的發展，雖然出現了更高效的MOSFET驅動器，但ULN2803ADWR因其成熟、穩定和成本效益，在許多傳統和新建項目中仍將繼續發揮重要作用。掌握這款芯片，無疑是每個電子工程師工具箱中的必備技能。