LM338T可调稳压器参数详解

　　LM338T是一款广泛应用于各种电源管理场景的三端可调正电压稳压器。它以其高输出电流能力、优异的负载和线路调整率以及内置的过载和热保护功能而闻名。本文将深入探讨LM338T的主要参数、内部结构、工作原理、典型应用以及设计考量，旨在为工程师和电子爱好者提供全面的参考。

　　1. LM338T概述与主要特性

　　LM338T是美国国家半导体（National Semiconductor，现已被德州仪器TI收购）生产的一款线性稳压器，能够提供超过5A的输出电流，输出电压可在1.2V至32V之间连续可调。其“T”后缀通常表示TO-220封装，这是一种常见的功率器件封装，利于散热。

　　LM338T的核心优势在于其高输出电流能力。在实际应用中，许多电子设备需要稳定的高电流电源，而LM338T能够轻松满足这一需求，使其成为驱动电机、LED阵列、功率放大器以及其他大电流负载的理想选择。

　　主要特性包括：

　　高输出电流： 保证在适当散热条件下，可提供超过5A的输出电流。这一特性使得LM338T在需要较大电流的应用中具有显著优势，例如为嵌入式系统、工业控制设备或高性能音频设备供电。

　　宽输出电压范围： 输出电压可在1.2V至32V之间进行调节。这种灵活性允许设计者根据具体应用需求精确设定输出电压，无论是为低压数字电路供电，还是为高压模拟电路提供电源。

　　出色的线路和负载调整率： 线路调整率典型值为0.005%/V，负载调整率典型值为0.1%。这意味着在输入电压或输出负载发生较大变化时，LM338T仍能保持输出电压的稳定。例如，当输入电源存在纹波或负载电流波动时，LM338T能够有效地抑制这些干扰，确保输出电压的纯净和稳定。

　　内置过载保护： 集成了限流保护和热关断保护功能。限流保护可防止输出电流超过预设值，从而保护稳压器本身和下游负载免受过流损害。热关断保护则在芯片温度过高时自动关闭稳压器，以防止热损坏，这对于在高环境温度或大电流负载下工作的应用尤为重要。

　　标准三端器件： 采用标准的TO-220封装，引脚配置直观，方便设计和安装。其引脚通常包括输入、输出和调整端（ADJ）。

　　纹波抑制比高： 对输入纹波具有良好的抑制能力，有助于提供更平滑的输出直流电压。在高噪声或开关电源前端应用中，这一特性尤为关键。

　　2. LM338T引脚配置与内部结构

　　LM338T通常采用TO-220封装，引脚排列如下：

　　引脚1 (ADJ/调节端): 用于连接分压电阻网络，以设定输出电压。通过改变连接在该引脚和输出端之间的电阻分压比，可以精确地调整输出电压。

　　引脚2 (OUT/输出端): 稳压器的直流输出端，提供稳定的电压给负载。

　　引脚3 (IN/输入端): 稳压器的直流输入端，连接到未稳压的直流电源。

　　内部结构简化视图：

　　LM338T的内部结构相对复杂，但可以简化理解为包含以下几个主要功能模块：

　　基准电压源： 提供一个非常精确和稳定的内部基准电压（通常为1.25V），这是决定输出电压精度的基础。

　　误差放大器： 比较基准电压与输出电压采样值（通过外部电阻分压网络获得），并根据两者之间的误差产生一个控制信号。

　　调整元件（功率晶体管）： 通常是一个NPN功率晶体管或达林顿管，作为串联调整元件，根据误差放大器的控制信号来调整其导通程度，从而维持输出电压的稳定。

　　电流限制电路： 监测输出电流，当电流超过预设阈值时，降低调整元件的导通程度，以限制输出电流。

　　热关断电路： 监测芯片内部温度，当温度超过安全范围时，强制关断调整元件，保护芯片免受热损坏。

　　3. LM338T工作原理

　　LM338T的工作原理是基于负反馈环路。其核心思想是通过持续地比较输出电压的一部分与一个内部精确的基准电压，然后根据两者之间的差异来动态调整输出电压，使其保持稳定。

　　电压采样： 通过连接在ADJ引脚和OUT引脚之间的外部电阻分压网络（R1和R2），对输出电压进行采样。分压后的电压反馈到误差放大器的输入端。

　　误差比较： 误差放大器将这个采样电压与内部的1.25V基准电压进行比较。

　　误差放大： 如果采样电压与基准电压不符，误差放大器会产生一个误差信号，并将其放大。

　　调整元件控制： 放大后的误差信号用于控制串联调整元件（功率晶体管）的导通程度。

　　如果输出电压偏低，误差放大器会使调整元件的导通程度增加，从而允许更多的电流流向负载，提高输出电压。

　　如果输出电压偏高，误差放大器会使调整元件的导通程度减小，从而减少流向负载的电流，降低输出电压。

　　稳定输出： 这种负反馈机制持续不断地工作，使得输出电压被精确地调整并稳定在设定值。

　　输出电压计算公式：

　　输出电压 V_OUT 由以下公式决定：

　　V_OUT=V_REFtimes(1+fracR2R1)+I_ADJtimesR2

　　其中：

　　V_REF 为内部基准电压，典型值为1.25V。

　　R1 和 R2 是外部连接的两个分压电阻。R1 连接在OUT和ADJ引脚之间，R2 连接在ADJ引脚和地之间。

　　I_ADJ 是流经ADJ引脚的电流，这个电流非常小，通常在50μA到100μA之间，在大多数应用中可以忽略不计，尤其是在R2的阻值不是特别大的情况下。

　　简化公式（忽略 I_ADJ）：

　　V_OUTapproxV_REFtimes(1+fracR2R1)

　　通常建议 R1 的阻值在100Ω到240Ω之间，以确保$I_{ADJ}$的影响最小化，并提供足够的偏置电流。

　　4. LM338T电气参数详解

　　LM338T的电气参数是评估其性能和适用性的关键。以下是一些重要的参数及其含义：

　　4.1 输出电压范围 (Output Voltage Range)

　　典型值： 1.2V to 32V

　　说明： 这是LM338T能够稳定输出的电压范围。最低输出电压受内部基准电压和ADJ引脚电流的影响，最高输出电压则受限于输入电压和最大允许压差。

　　4.2 输出电流 (Output Current)

　　典型值： 5A (Min)

　　最大值： 7A (Peak)

　　说明： LM338T在适当散热条件下，可提供至少5A的连续输出电流。峰值电流可能更高，但持续时间有限。实际可达到的最大电流取决于输入/输出压差、环境温度和散热条件。过高的电流和压差会导致芯片内部功耗过大，触发热保护。

　　4.3 线路调整率 (Line Regulation)

　　典型值： 0.005%/V

　　最大值： 0.02%/V

　　说明： 衡量当输入电压变化时，输出电压保持稳定的能力。例如，0.005%/V意味着输入电压每变化1V，输出电压变化0.005%。这个值越小，稳压性能越好。

　　4.4 负载调整率 (Load Regulation)

　　典型值： 0.1% (IOUT = 10mA to 5A)

　　最大值： 0.3% (IOUT = 10mA to 5A)

　　说明： 衡量当输出负载电流变化时，输出电压保持稳定的能力。0.1%意味着当负载电流在规定范围内变化时，输出电压变化量为设定输出电压的0.1%。这个值越小，稳压性能越好。

　　4.5 输入-输出压差 (Dropout Voltage)

　　典型值： 3V (at 5A)

　　最大值： 4V (at 5A)

　　说明： 稳压器正常工作所需的最小输入电压与输出电压之间的差值。例如，如果需要输出12V，那么输入电压至少要达到15V（假设压差为3V）。当输入电压过低，无法维持足够的压差时，稳压器将无法正常稳压。

　　4.6 最小负载电流 (Minimum Load Current)

　　典型值： 10mA

　　说明： 为了确保LM338T内部的误差放大器和基准电压源正常工作，需要一个最小的输出电流。如果负载电流低于此值，稳压性能可能会下降或不稳定。通常，用于设置输出电压的R2电阻可以提供这部分最小负载电流。

　　4.7 静态电流 (Quiescent Current / I_ADJ)

　　典型值： 50μA

　　最大值： 100μA

　　说明： 流经ADJ引脚的电流。这个电流通常很小，在计算输出电压时可以忽略，但在某些对精度要求极高的应用中，或当R2阻值很大时，可能需要考虑其影响。

　　4.8 纹波抑制比 (Ripple Rejection Ratio)

　　典型值： 75dB (at 120Hz)

　　说明： 衡量稳压器抑制输入交流纹波的能力。75dB意味着输入纹波电压会被衰减约5600倍。较高的纹波抑制比意味着输出电压更加平滑。

　　4.9 热关断温度 (Thermal Shutdown Temperature)

　　典型值： 165°C

　　说明： 当芯片内部温度达到此阈值时，LM338T会自动关闭输出，以防止过热损坏。当温度下降到安全范围后，稳压器会自动恢复工作。

　　4.10 工作结温范围 (Operating Junction Temperature Range)

　　商用级： 0°C to 125°C

　　工业级/军用级： 更宽的范围，例如-40°C to 125°C 或 -55°C to 150°C (具体取决于型号后缀)

　　说明： LM338T能够正常工作的内部结温范围。长时间在此范围外工作可能会导致性能下降或器件损坏。

　　5. LM338T典型应用电路

　　LM338T的典型应用电路相对简单，但正确选择外部元件至关重要。

　　5.1 基本可调稳压器电路

　　这是一个最常见、最基本的LM338T应用电路。

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

　　元件选择：

　　输入电容 (C_IN): 建议在LM338T的IN引脚和地之间放置一个0.1μF至1μF的电容。这个电容用于改善瞬态响应，并滤除输入电源上的高频噪声。如果输入电源距离LM338T较远（例如超过15厘米），则建议使用一个更大的电解电容（例如10μF或更大）来进一步稳定输入电压。

　　输出电容 (C_OUT): 建议在LM338T的OUT引脚和地之间放置一个1μF至10μF的电容。这个电容有助于改善负载瞬态响应，减少输出纹波和噪声，并提高电路的稳定性。对于高频负载或快速变化的负载，可能需要更大的输出电容或并联一个小型陶瓷电容。

　　分压电阻 (R1, R2): 用于设置输出电压。通常，R1 选择100Ω至240Ω之间的固定电阻。R2 可以是固定电阻或可调电位器（如1kΩ或5kΩ），以便灵活调整输出电压。建议使用金属膜电阻，以获得更好的温度稳定性和精度。

　　5.2 大电流应用注意事项

　　虽然LM338T额定输出电流为5A，但在实际大电流应用中，必须注意以下几点：

　　散热： LM338T会以热量的形式耗散输入与输出电压差乘以输出电流的功率。例如，如果输入20V，输出10V，输出电流5A，则耗散功率为 (20V−10V)times5A=50W。如此大的功耗必须通过合适的散热器散发出去。否则，芯片温度会迅速升高，触发热关断，导致输出电压中断。散热器的选择应基于最大功耗和环境温度，并确保良好的热接触。通常需要使用导热硅脂和绝缘垫片。

　　输入电源能力： 确保输入电源能够提供LM338T所需的最大电流，并且具有足够的余量。

　　导线线径： 在大电流路径上，使用足够粗的导线或铜排，以减少电压降和能量损耗。细导线会产生显著的IR压降，影响稳压性能，并增加发热。

　　地线连接： 采用星形接地或单点接地方式，以避免地线上的电流环路引起的噪声和电压降，从而提高稳压性能和稳定性。

　　5.3 带有短路保护和过温保护的电源

　　LM338T内置的过载和热关断保护功能使其非常适合构建可靠的电源。在设计时，应确保这些保护功能在极端情况下能够有效工作。

　　短路保护： 当输出端意外短路时，内置的限流功能会限制输出电流在一个安全值，防止LM338T和电源进一步损坏。

　　过热保护： 如果LM338T的结温超过预设阈值（约165°C），它会自动关闭输出。当结温下降到安全水平后，器件会重新启动。

　　6. LM338T设计考量与注意事项

　　成功应用LM338T需要考虑多个设计方面，以确保其性能、稳定性和可靠性。

　　6.1 散热管理

　　这是LM338T在大电流应用中最关键的考虑因素。

　　功耗计算： 功耗 P_D=(V_IN−V_OUT)timesI_OUT。计算在最坏情况下（最大输入电压，最小输出电压，最大输出电流）的功耗。

　　热阻： 了解TO-220封装的热阻（结到壳 R_JC，壳到环境 R_CA，结到环境 R_JA）。结到环境的热阻 R_JA=R_JC+R_CS+R_SA，其中 R_CS 是壳到散热器的热阻（依赖于绝缘垫片和导热膏），R_SA 是散热器到环境的热阻。

　　散热器选择： 根据最大允许结温 (T_Jmax)，最高环境温度 (T_Amax)，以及计算出的最大功耗 (P_D) 来选择合适的散热器。所需散热器的热阻应满足以下条件：R_SAleq(T_Jmax−T_Amax)/P_D−R_JC−R_CS。通常需要选择远小于计算值的散热器，以留有裕量。

　　安装： 确保LM338T与散热器之间有良好的热接触，使用导热硅脂并正确拧紧螺丝。如果散热器与电路板的地线没有连接，可能需要使用绝缘垫片。

　　6.2 输入电压范围

　　最大输入电压： LM338T的输入电压不应超过其绝对最大额定值（通常为35V或40V，具体取决于数据手册）。超过此值可能导致永久性损坏。

　　最小输入电压： 输入电压必须始终高于输出电压加上最小压差（通常为3V-4V）。如果输入电压过低，LM338T将无法稳定输出。

　　6.3 瞬态响应

　　输入/输出电容： 前述的输入和输出电容对于改善瞬态响应至关重要。它们可以在负载电流突然变化时提供瞬时能量，从而减少输出电压的波动。

　　ESR/ESL： 建议选用低等效串联电阻（ESR）和低等效串联电感（ESL）的电容，以获得更好的高频性能和瞬态响应。

　　6.4 稳定性问题

　　寄生电感和电容： 不合理的PCB布局可能引入寄生电感和电容，影响稳压器的稳定性，尤其是在高频下。

　　ADJ引脚布局： ADJ引脚上的分压电阻 R2 应尽可能靠近LM338T的ADJ引脚，并且其接地端应直接连接到OUT引脚的负载地，以避免地线上的电压降影响调节精度。

　　输入/输出走线： 宽而短的输入和输出走线可以减少阻抗，提高稳压性能。

　　6.5 保护电路

　　尽管LM338T内置了保护功能，但在某些极端情况下，额外的保护电路可能是有益的。

　　反向保护： 如果输入电源可能发生反接，可以在输入端串联一个二极管进行保护。

　　输出反向电压保护： 当LM338T断电而输出电容或外部负载仍然有电压时，可能会出现输出电压高于输入电压的情况，这可能损坏稳压器。在这种情况下，可以在OUT和IN引脚之间并联一个肖特基二极管（IN极接IN引脚，OUT极接OUT引脚），以提供泄放路径。

　　7. LM338T与其他稳压器的比较

　　在电源管理领域，除了LM338T，还有许多其他类型的稳压器，每种都有其独特的优势和适用场景。

　　与LM317的比较： LM317是LM338T的“小兄弟”，主要区别在于最大输出电流。LM317通常只能提供1.5A的电流，而LM338T可以提供5A。因此，LM338T适用于需要更大电流的应用，而LM317则更适合低功耗或中等电流的应用。两者的基本工作原理和调压公式相似。

　　与开关稳压器（如降压转换器）的比较：

　　效率： 开关稳压器（如降压型DC-DC转换器）的效率通常远高于线性稳压器。线性稳压器以热量形式耗散多余能量，因此在输入输出压差大或电流大时效率很低。开关稳压器则通过开关动作来转换能量，效率可达85%至95%。

　　噪声： 线性稳压器通常输出噪声较低，纹波较小，更适合对电源纯净度要求高的应用，如音频设备、射频电路等。开关稳压器会产生开关噪声，可能需要额外的滤波来降低。

　　复杂性： 线性稳压器电路简单，元件少，易于设计和调试。开关稳压器电路相对复杂，通常需要电感、肖特基二极管等元件，且PCB布局对性能影响较大。

　　成本： 在低功率应用中，线性稳压器成本更低。在高功率或大压差应用中，尽管线性稳压器本身芯片成本可能低，但由于需要大尺寸散热器，整体成本可能上升，而开关稳压器可能更具成本效益。

　　总结： LM338T作为一款线性稳压器，在对噪声敏感、电路简单、以及输入输出压差和电流不是极端大的高电流应用中，仍然是极具吸引力的选择。对于高效率、小体积或电池供电的应用，开关稳压器可能是更好的选择。

　　8. 结语

　　LM338T是一款功能强大、可靠性高的可调正电压稳压器，凭借其高输出电流、宽电压调节范围和完善的保护功能，在各种电子设备和电源设计中发挥着重要作用。深入理解其参数、工作原理和设计考量，将有助于工程师们更有效地利用LM338T，设计出稳定、高效且安全的电源解决方案。