ULN2803ADWR 双极晶体管阵列：深入解析

引言：ULN2803ADWR 的重要性

在现代电子设计中，接口器件扮演着至关重要的角色。它们是微控制器、数字逻辑电路与高功率负载之间沟通的桥梁，解决了几毫安的微弱信号无法直接驱动高电流、高电压设备的难题。在众多接口芯片中，ULN2803ADWR 作为一款高性能的八路达林顿晶体管阵列，凭借其出色的驱动能力、高集成度、稳定性和经济性，在工业控制、消费电子、汽车电子等多个领域得到了广泛应用。它的出现极大地简化了电路设计，降低了成本，并提升了系统的可靠性。理解ULN2803ADWR的工作原理、特性参数以及典型应用，对于任何从事电子设计与开发的工程师来说都具有重要意义。

ULN2803ADWR 概述

ULN2803ADWR 是一款由德州仪器（Texas Instruments，TI）等公司生产的高压、高电流达林顿晶体管阵列。其核心特点在于集成了8个独立的NPN达林顿晶体管，每个晶体管都配备了独立的输入和开路集电极输出，以及一个用于续流保护的共用阴极钳位二极管。这种设计使其能够直接驱动感性负载，如继电器、螺线管、步进电机等，而无需额外的续流电路。

“ADWR”通常是德州仪器对其封装类型和卷带包装方式的标识，其中“DW”可能代表SOIC（Small Outline Integrated Circuit）宽体封装，而“R”可能指卷带包装，方便自动化贴片生产。理解这一标识有助于在采购和生产中选择正确的物料。

ULN2803ADWR 基础知识

1. 达林顿晶体管原理

理解ULN2803ADWR，首先要深入了解其核心组成部分——达林顿晶体管。

达林顿晶体管，又称达林顿对（Darlington Pair），是由两个标准双极结型晶体管（BJT）串联连接而成的一种特殊结构。其主要目的是大幅度提高复合晶体管的电流增益（β或hFE）。

• 结构： 在一个达林顿对中，第一个晶体管（输入晶体管）的发射极直接连接到第二个晶体管（输出晶体管）的基极。两个晶体管的集电极通常连接在一起。

• 工作原理： 当一个小的基极电流流入第一个晶体管的基极时，它会产生一个放大了的集电极电流。这个放大了的电流随后成为第二个晶体管的基极电流，并再次被放大。因此，整个达林顿对的复合电流增益是两个单独晶体管电流增益的乘积：βtotal=β1×β2例如，如果两个晶体管的电流增益都是100，那么达林顿对的总增益将达到10000。这种高增益使得达林顿对能够用非常小的输入电流驱动非常大的负载电流。

• 优点：

• 高电流增益： 这是达林顿对最显著的优势，使得微控制器等弱电流输出端口能够驱动大电流负载。

• 简化驱动电路： 由于高增益，通常只需要一个电阻作为限流电阻连接到控制信号，而不需要复杂的多级放大电路。

• 缺点：

• 较高的饱和电压（VCE(sat)）： 达林顿对的饱和电压通常是两个晶体管饱和电压之和，这会导致在导通状态下有更多的功耗，产生更多的热量。

• 较慢的开关速度： 达林顿对在从导通到截止或从截止到导通的转换过程中，由于内部存储电荷的释放和建立，通常比单个晶体管慢。这对于高速开关应用可能是一个限制。

• 温度稳定性： 由于是两个晶体管的组合，其温度特性也需要更仔细的考虑。

在ULN2803ADWR中，每个独立的驱动通道都由一个NPN达林顿晶体管构成，从而提供了强大的驱动能力。

2. 内部结构与引脚功能

ULN2803ADWR 通常采用18引脚的SOIC宽体封装（DW），具体引脚功能如下：

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重要说明：

• 输入引脚（IN）： 每个输入引脚都串联了一个限流电阻（通常约为2.7kΩ），这使得ULN2803ADWR可以直接与TTL、CMOS或PMOS逻辑电路接口，例如5V或3.3V的微控制器I/O口。当输入为高电平（高于约2.7V，具体取决于数据手册）时，对应的达林顿晶体管导通；当输入为低电平（低于约1.2V）时，达林顿晶体管截止。

• 输出引脚（OUT）： 输出是开路集电极（Open-Collector）结构。这意味着当对应的达林顿晶体管导通时，输出引脚被拉到地电位（低电平）；当达林顿晶体管截止时，输出引脚处于高阻态（悬空），需要外部上拉电阻或连接到负载以提供电流路径。这种结构允许输出连接到不同电压等级的负载，只需确保负载电流不超过器件的最大额定值。

• COM 引脚： COM引脚是一个非常重要的特性，它连接了所有达林顿管输出级的发射极和共用续流二极管的阴极。当驱动感性负载（如继电器、螺线管等）时，感性负载在断开时会产生一个反向电动势，如果没有保护，这个高压会损坏晶体管。ULN2803ADWR内部的续流二极管可以为这个反向电动势提供一个通路，将能量回馈到电源或通过二极管耗散，从而保护达林顿晶体管。在驱动纯阻性负载时，COM引脚可以悬空或连接到地。在驱动感性负载时，COM引脚通常连接到负载电源的正极。

3. 主要电气特性参数

了解ULN2803ADWR的电气特性参数对于正确设计和使用电路至关重要。以下是一些关键参数：

• 集电极电流（IC）: ULN2803ADWR的每个输出通道能够连续输出高达500mA的电流。这是一个非常重要的参数，决定了它能够驱动的负载类型和大小。尽管单个通道可承受500mA，但通常在实际应用中会考虑总电流限制，即所有通道的总电流不能超过一个特定值（例如2.5A），以防止芯片过热。

• 集电极-发射极击穿电压（VCE(sus)）: 每个达林顿管的输出能够承受高达50V的电压。这意味着它可以驱动工作电压高达50V的负载，例如24V或48V的继电器线圈。

• 输入高电平电压（VIH）: 驱动ULN2803ADWR输入引脚的最小高电平电压，通常在2.7V至3V之间。这表示它可以直接与3.3V或5V微控制器兼容。

• 输入低电平电压（VIL）: 驱动ULN2803ADWR输入引脚的最大低电平电压，通常在0.8V至1.2V之间。

• 导通电阻（RON）或饱和电压（VCE(sat)）: 达林顿管导通时，集电极与发射极之间的电压降。在ULN2803ADWR中，当输出电流为350mA时，典型的VCE(sat)可能为1.6V。这个电压降意味着芯片在导通时会消耗一定的功率（P = VCE(sat) × IC），从而产生热量。较低的VCE(sat)意味着更高的效率和更少的热量。

• 静态电流（ICC）: 器件在未工作（所有通道截止）时的电源电流，通常很小。

• 响应时间（Turn-On/Turn-Off Time）: 开关速度参数，对于继电器或螺线管驱动而言通常不是关键因素，但对于高频开关应用则需要考虑。ULN2803ADWR的开关速度相对较慢，不适合MHz级别的开关。

• 工作温度范围： 工业级ULN2803ADWR通常支持-40°C至+85°C的宽温度范围，适用于各种工业环境。

• 功耗（PD）: 器件可以安全耗散的最大功率。这是由封装和散热条件决定的。如果多个通道同时导通且电流较大，总功耗可能会达到上限，需要考虑散热措施。

ULN2803ADWR 工作原理详解

ULN2803ADWR 的工作原理相对直观，可以概括为以下几点：

1. 输入信号控制：

• 当某个通道的输入引脚（例如1IN）接收到高电平信号（例如来自微控制器的3.3V或5V逻辑高电平）时，该信号通过内部的限流电阻（通常是2.7kΩ）加到达林顿对的第一个晶体管的基极。

• 这个电流使第一个晶体管导通，并产生一个被放大的集电极电流，该电流随即作为第二个晶体管的基极电流。

• 第二个晶体管也被导通，其集电极与对应的输出引脚（例如1OUT）连接。

2. 开路集电极输出：

• 当达林顿对导通时，对应的输出引脚（OUT）的集电极被拉低至接近地电位（约VCE(sat)）。这意味着输出呈现一个低阻抗通路到地。

• 如果负载连接在输出引脚和负载电源之间（通常是正电源），电流将从负载电源流过负载，再流过导通的达林顿晶体管，最终流向地，从而驱动负载工作。

• 当输入引脚为低电平（或悬空）时，达林顿对截止。此时，输出引脚处于高阻态，相当于断开状态。电流不再流过负载，负载停止工作。

3. 续流二极管保护（COM引脚的作用）：

• 这是ULN2803ADWR的一个重要特色，特别适用于驱动感性负载。

• 感性负载（如继电器、螺线管、电机线圈）在电流被突然切断时，会产生一个与电流方向相反的瞬时高电压（反向电动势），试图维持电流的连续性。这个电压可能远远超过芯片的额定电压，从而损坏达林顿管。

• ULN2803ADWR内部集成了8个独立的续流二极管，它们的阴极连接在一起形成COM引脚，阳极则分别连接到达林顿管的集电极（即输出引脚）。

• 当达林顿管从导通状态迅速切换到截止状态时，感性负载产生的反向电动势会使输出引脚的电压迅速升高，超过COM引脚连接的电源电压。此时，内部的续流二极管会正向偏置导通，为感性负载的电流提供一个泄放通路（从感性负载经过二极管流向COM引脚所连接的电源）。

• 这有效地钳位了输出引脚上的电压，防止其超过ULN2803ADWR的最大额定电压，从而保护了芯片不受过压损坏。

• 注意： 如果驱动的是纯阻性负载（如LED灯串，电阻等），则COM引脚可以悬空或连接到地。但为了通用性，通常建议连接到负载电源的正极。

ULN2803ADWR 典型应用场景

ULN2803ADWR因其多路驱动、高电流能力和内置保护的特点，在许多电子设计中都发挥着重要作用：

1. 继电器驱动：

• 这是ULN2803ADWR最经典的应用之一。微控制器I/O口通常无法直接驱动继电器线圈（继电器线圈电流可能在几十毫安到几百毫安之间，且为感性负载）。

• ULN2803ADWR的每个通道可以轻松驱动一个12V或24V的继电器，并利用内部续流二极管提供保护。

• 连接方式： 微控制器I/O -> ULN2803ADWR IN -> ULN2803ADWR OUT -> 继电器线圈一端 -> 继电器电源正极。ULN2803ADWR的COM引脚连接到继电器电源正极。

2. 步进电机驱动：

• 对于简单的两相或四相步进电机，ULN2803ADWR可以作为驱动器。它通常需要与H桥驱动电路配合，或者用于简化驱动步进电机的线圈切换。

• 对于双极性步进电机，可能需要两个ULN2803ADWR来形成H桥。对于单极性步进电机，ULN2803ADWR可以直接驱动其线圈。

• 注意： 对于大功率步进电机，可能需要更大电流的驱动器。

3. 螺线管驱动：

• 类似于继电器，螺线管（Solenoid）也是常见的感性负载，用于阀门控制、门锁等。ULN2803ADWR同样能够有效驱动并提供续流保护。

4. LED灯串驱动/显示屏驱动：

• 当需要驱动多路高电流的LED灯串时，ULN2803ADWR可以作为低侧开关（Low-Side Switch），即连接LED灯串的低端。

• 在点阵显示屏或七段数码管的共阴极驱动中，ULN2803ADWR可以作为段驱动器或位驱动器，用于吸入流过LED的电流。

5. 蜂鸣器驱动：

• 驱动一些需要较大电流的蜂鸣器或报警器。

6. 打印机、自动贩卖机、办公自动化设备等中的通用接口：

• 在这些设备中，通常有许多需要控制的电磁阀、电机、指示灯等，ULN2803ADWR能够提供经济高效的多路驱动方案。

7. 功率晶体管和MOSFET的栅极驱动（小电流场合）：

• 尽管ULN2803ADWR本身是功率驱动器，但在某些低速、低功率场合，它也可以用来驱动更大功率的晶体管或MOSFET的基极/栅极，作为二级放大。

ULN2803ADWR 的优势与局限性

优势：

1. 高集成度： 在单个封装内集成了8个独立的达林顿晶体管，节省了PCB空间和物料成本，简化了布线。

2. 强大的驱动能力： 每个通道高达500mA的连续电流和50V的电压承受能力，使其能够驱动大多数中小型继电器、螺线管、LED阵列等。

3. 内置续流二极管： 这是一项非常重要的功能，免去了为每个感性负载额外添加续流二极管的麻烦，显著降低了BOM成本和设计复杂性，并提高了可靠性。

4. 直接逻辑兼容性： 输入内置限流电阻，可以直接与TTL、CMOS、PMOS逻辑电平（如微控制器的3.3V/5V I/O）兼容，无需额外的电平转换电路。

5. 高可靠性： 作为成熟的产品，ULN2803ADWR具有良好的稳定性和可靠性，广泛应用于工业领域。

6. 成本效益高： 由于其普及性和高产量，ULN2803ADWR的价格相对较低，是经济高效的解决方案。

7. 多种封装选择： 提供DIP、SOIC、SOP等多种封装，方便不同应用和生产工艺的需求。

局限性：

1. 较高的饱和电压（VCE(sat)）： 达林顿对的固有缺点，导致在导通状态下有较大的压降，从而产生较多功耗（发热），影响效率。对于需要极高效率的应用，可能需要考虑MOSFET驱动器。

2. 较慢的开关速度： 不适合高速PWM或高频开关应用。其开关延迟通常在微秒级别，而一些MOSFET驱动器可以达到纳秒级别。

3. 功耗限制： 尽管单个通道可达500mA，但芯片的总功耗受到封装散热能力的限制。当所有通道同时驱动大电流负载时，必须注意芯片温升，可能需要额外的散热措施或降低每个通道的平均电流。

4. 仅适用于低侧驱动： ULN2803ADWR是NPN晶体管阵列，只能作为低侧开关（Low-Side Switch），即负载的一端连接到正电源，另一端连接到ULN2803ADWR的输出引脚。它不能用于高侧驱动（High-Side Switch）。

5. 无法实现电流限制： ULN2803ADWR没有内置的过流保护功能，如果负载发生短路，可能会导致芯片损坏。需要外部电路实现电流限制或熔断保护。

6. 部分替代方案的出现： 随着技术发展，一些新的集成驱动芯片，特别是基于MOSFET的驱动器，在效率和开关速度方面表现更优，可能在特定应用中取代ULN2803ADWR。

ULN2803ADWR 的选型与替代

选型考虑：

在选择ULN2803ADWR时，需要考虑以下因素：

• 负载类型： 是否为感性负载？如果是，内置续流二极管会带来很大便利。

• 负载电流： 每个通道的最大电流是否在500mA以内？所有通道的总电流是否在芯片的总功耗允许范围内？

• 负载电压： 负载的工作电压是否在50V以内？

• 输入逻辑电平： 是否与微控制器或上游逻辑电路的输出电平兼容？

• 开关速度要求： 应用是否对开关速度有严格要求？

• 封装类型： 根据PCB尺寸、生产工艺（手工焊接或自动化贴片）选择合适的封装。

• 成本： ULN2803ADWR通常是经济的选择。

相关型号与替代方案：

• ULN2003系列： 与ULN2803ADWR类似，但为七路达林顿晶体管阵列，引脚数更少（通常为16引脚）。在只需要7个或更少通道的应用中，ULN2003可能更具成本效益。

• ULQ2003A / ULQ2803A： 这些通常是兼容的达林顿阵列，可能由不同的制造商生产，参数上略有差异，但功能相似。

• TBD62083AFWG (Toshiba)： 东芝等公司也生产兼容的八路达林顿晶体管阵列，如TBD62083AFWG，通常具有更低的饱和电压和更高的总电流能力，以提高效率和降低发热。这些可能是ULN2803ADWR的升级或高性能替代品。

• TPL7407L (TI)： 一些基于MOSFET的低侧驱动器，如TPL7407L，可以提供比达林顿阵列更低的导通电阻（更低的VCE(sat)），从而实现更高的效率和更小的发热。它们通常没有内置续流二极管（因为MOSFET通常有内置体二极管，但在驱动感性负载时可能需要额外的外部肖特基二极管以获得更好的保护）。

• 隔离栅驱动器 + 分立MOSFET： 对于需要高功率、高效率和电气隔离的应用，可能会选择使用隔离栅驱动器来驱动分立的功率MOSFET。

• 集成H桥驱动器： 对于直流有刷电机或双极性步进电机，L298N、DRV8825等集成H桥驱动器可能是更优的选择，它们集成了高侧和低侧开关功能。

设计注意事项与最佳实践

在使用ULN2803ADWR进行电路设计时，应注意以下几点：

1. 功耗与散热：

• 计算功耗： 当达林顿管导通时，会产生热量。每个通道的功耗 Pchannel=IC×VCE(sat)。整个芯片的总功耗 Ptotal=∑Pchannel。

• 检查数据手册： 对比计算出的总功耗与数据手册中封装的最大允许功耗（PD）。如果超出，需要采取散热措施（如增加PCB铜面积作为散热片），或者降低负载电流，甚至考虑使用导通电阻更低的驱动器。

• 并联通道： 为了分担电流和降低单个通道的功耗，有时可以将多个通道的输入和输出并联起来驱动单个大电流负载。例如，将2个通道并联以驱动1A的负载，每个通道分担500mA。但需要注意，并联时要确保输入信号同时到达，且输出线的阻抗匹配。

2. 续流二极管的连接：

• 感性负载： 务必将COM引脚连接到感性负载电源的正极。这是提供续流路径的关键。

• 阻性负载： 驱动纯阻性负载时，COM引脚可以悬空或连接到地。但为了电路的通用性和防止误用，通常建议即使驱动阻性负载也将其连接到负载电源正极（如果负载电源是单一的），以提供最大的保护。

3. 输入信号：

• 确保输入信号的电压电平在ULN2803ADWR的VIH和VIL范围内。通常，微控制器的3.3V或5V逻辑电平可以直接驱动。

• 输入电流通常很小（微安级别），所以对微控制器的I/O口驱动能力要求不高。

4. 输出负载连接：

• ULN2803ADWR是低侧开关，负载的一端必须连接到正电源，另一端连接到ULN2803ADWR的输出引脚。

• 不要尝试将负载的一端接地，另一端连接到ULN2803ADWR的输出，并期待它作为高侧开关工作。

5. 电源去耦：

• 虽然ULN2803ADWR对电源噪声相对不敏感，但为了确保稳定性，在靠近芯片的VCC（如果有，但ULN2803ADWR通常不需要单独的VCC引脚，直接由输入信号提供工作电流）和GND之间放置一个0.1uF的陶瓷电容进行去耦是一个好的实践。对于ULN2803ADWR，其内部结构简化了电源管理，因为它主要是一个电流吸入器件，不像需要独立供电的数字IC那样对VCC去耦有严格要求。然而，良好的接地布局和电源完整性仍然重要。

6. PCB布局：

• 确保电源和地线足够粗，以承受大电流，避免过大的压降。

• 感性负载的走线应尽量短，减少电磁干扰（EMI）。

• 注意热量的散发，为芯片提供足够的散热铜面积。

7. ESD保护：

• 在设计时考虑静电放电（ESD）保护，尤其是在输入和输出引脚处，尽管ULN2803ADWR本身具有一定的ESD耐受能力。

总结

ULN2803ADWR 作为一款经典且功能强大的八路达林顿晶体管阵列，凭借其高集成度、优秀的电流驱动能力、内置续流保护以及与逻辑电平的良好兼容性，在众多中低功率驱动应用中占据了不可替代的地位。它极大地简化了继电器、螺线管、步进电机和LED等感性或大电流负载的驱动电路设计，有效降低了成本并提高了系统可靠性。

尽管存在饱和电压较高和开关速度相对较慢的局限性，但对于其主要应用场景——非高速、中等电流的开关和驱动需求——ULN2803ADWR 仍然是工程师们的首选器件之一。深入理解其工作原理、电气特性和应用技巧，将使您在电子设计中更加游刃有余。随着电子技术的发展，虽然出现了更高效的MOSFET驱动器，但ULN2803ADWR因其成熟、稳定和成本效益，在许多传统和新建项目中仍将继续发挥重要作用。掌握这款芯片，无疑是每个电子工程师工具箱中的必备技能。