LM7912負壓穩壓器：引腳、參數與應用詳解

LM7912是一款應用廣泛的三端負電壓固定穩壓器，屬于LM79xx系列，專門用于提供穩定的-12V直流輸出電壓。在電子電路設計中，當需要穩定的負電壓供電時，LM7912因其使用簡便、性能可靠而成為常用的選擇。它通常用于為運算放大器、模擬電路、傳感器以及其他需要負電壓的組件提供電源。

1. LM7912概述

LM7912是一款單片集成電路，其內部集成了溫度補償齊納基準、誤差放大器、功率晶體管以及完善的保護電路，包括內部電流限制、熱關斷和安全工作區（SOA）保護。這些保護功能極大地提高了芯片的魯棒性和可靠性，使其能夠承受一定的過載和異常情況，而不會立即損壞。它通常采用TO-220封裝，這種封裝形式便于散熱，適合中等功率的應用。

穩壓器的主要功能是將不穩定的輸入電壓轉換為穩定的輸出電壓，即使輸入電壓或負載電流發生變化，輸出電壓也能保持在一個預設的穩定值。LM7912的“79”系列命名就代表其是負電壓穩壓器（而“78”系列則是正電壓穩壓器），“12”則直接指明了其固定的輸出電壓為-12V。

2. LM7912引腳圖與引腳功能

LM7912最常見的封裝形式是TO-220，這是一種直插式封裝，具有三個引腳。理解每個引腳的功能是正確連接和使用LM7912的基礎。

TO-220封裝的LM7912引腳視圖（從正面看，引腳朝下）：

     ___
    /   
   |  _  |
   | |_| |  <- 散熱片/金屬背板 (通常與引腳2相連，但設計中應以引腳2作為輸入)
   \_____/
     | | |
     -----
      1 2 3
      GND IN OUT

重要提示：

• 雖然TO-220封裝的金屬背板（通常是散熱片）在某些79xx系列穩壓器中可能與中間引腳（輸入端）連接，但在實際電路設計中，應始終按照數據手冊的指引，將引腳1（GND）、引腳2（輸入）和引腳3（輸出） 分別進行連接。不要僅僅依賴背板的連接性。

• 正確識別引腳非常重要，因為引腳接反會導致穩壓器損壞。在實際使用前，請務必參照具體制造商的數據手冊進行確認，以防不同批次或制造商的引腳定義略有差異（盡管LM79xx系列的引腳定義非常標準化）。

3. LM7912主要電氣參數

了解LM7912的主要電氣參數對于正確選擇和應用它至關重要。這些參數定義了穩壓器的工作范圍和性能特性。以下是一些關鍵參數：

3.1. 輸出電壓 (Output Voltage)

• 標稱輸出電壓： V_OUT=?12V

• 輸出電壓容差： 通常在 pm4 到 pm5 之間，具體取決于型號和溫度范圍。這意味著實際輸出電壓可能在-11.4V到-12.6V之間。

3.2. 輸入電壓范圍 (Input Voltage Range)

• 推薦輸入電壓： 通常在 ?14.5V 到 ?27V 之間。需要注意的是，輸入電壓必須足夠負，以保證至少2V的輸入/輸出壓差（∣V_IN?V_OUT∣）。

• 最大輸入電壓： ?35V（絕對最大額定值），超過此值可能會損壞器件。長時間在接近最大值的情況下工作也不推薦。

3.3. 壓差 (Dropout Voltage)

• 典型壓差： 通常為 1.1V 到 2V。這是指為了確保穩壓器正常工作，輸入電壓與輸出電壓之間的最小負向壓差。例如，如果輸出是-12V，那么輸入至少需要低于-13.1V（假設壓差為1.1V）。壓差越小，穩壓器在低輸入電壓下的效率越高。

3.4. 輸出電流 (Output Current)

• 典型輸出電流： 通常為 1.0A。一些型號可能提供更高的輸出電流，如LM7912CT（TO-220封裝）通常能提供1.5A的連續輸出電流。

• 最大輸出電流： 受限于內部電流限制和散熱條件。當輸出電流過大時，內部電流限制電路會啟動，限制輸出電流，以保護器件。

3.5. 線路調整率 (Line Regulation)

• 典型值： 2mV 到 24mV (對于 I_OUT 變化 20mA 到 1A)。線路調整率衡量的是當輸入電壓在規定范圍內變化時，輸出電壓的變化量。越小的值表示穩壓器對輸入電壓變化的抑制能力越強。

3.6. 負載調整率 (Load Regulation)

• 典型值： 6mV 到 48mV (對于 I_OUT 變化 5mA 到 1.5A)。負載調整率衡量的是當負載電流在規定范圍內變化時，輸出電壓的變化量。越小的值表示穩壓器在負載變化時，輸出電壓的穩定性越好。

3.7. 靜態電流 (Quiescent Current)

• 典型值： 4.3mA 到 8mA。這是指在空載情況下（無輸出電流）穩壓器自身消耗的電流。對于低功耗應用，這個參數非常重要。

3.8. 紋波抑制比 (Ripple Rejection)

• 典型值： 60dB 到 70dB。紋波抑制比（或電源抑制比 PSRR）表示穩壓器抑制輸入紋波的能力。較高的值意味著穩壓器能更好地濾除輸入電源中的交流紋波，提供更平滑的直流輸出。

3.9. 工作溫度范圍 (Operating Temperature Range)

• 商業級： $0^circ C$ 到 $+125^circ C$。

• 工業級： $-40^circ C$ 到 $+125^circ C$。

• 軍用級： $-55^circ C$ 到 $+150^circ C$。

3.10. 內部保護功能

• 過熱關斷 (Thermal Shutdown)： 當芯片內部溫度超過安全閾值（通常在$150^circ C$ 到 $175^circ C$）時，穩壓器會自動關斷，以防止永久性損壞。

• 短路電流限制 (Short-Circuit Current Limit)： 當輸出端發生短路時，內部電路會將輸出電流限制在一個安全值，保護器件。

• 安全工作區保護 (Safe Operating Area - SOA Protection)： 限制了在不同輸入-輸出電壓差和負載電流組合下，功率晶體管的工作區域，確保其在安全范圍內運行。

4. LM7912工作原理

LM7912的工作原理基于一個反饋控制系統，旨在維持輸出電壓的恒定。其核心部件包括：

1. 基準電壓源 (Reference Voltage Source)： 提供一個精確、穩定的內部負向基準電壓。這個基準電壓是輸出電壓穩定性的基礎。

2. 誤差放大器 (Error Amplifier)： 比較輸出電壓（經過分壓，或直接比較）與內部基準電壓。如果輸出電壓偏離設定值，誤差放大器會產生一個誤差信號。

3. 調整元件 (Pass Transistor/Series Regulator)： 通常是一個串聯在輸入和輸出之間的PNP或NPN功率晶體管（LM7912通常使用PNP型）。誤差放大器的輸出信號驅動這個調整元件，以調整其導通程度。

4. 反饋網絡 (Feedback Network)： 將一部分輸出電壓反饋到誤差放大器，與基準電壓進行比較。

5. 保護電路 (Protection Circuitry)： 包括過熱關斷、電流限制和SOA保護等，用于防止器件在異常條件下損壞。

工作流程簡化：

當輸入電壓加到LM7912的輸入引腳時，電流流過內部的調整元件到達輸出端。誤差放大器不斷監測輸出電壓，并將其與內部的-12V基準電壓進行比較。

• 如果輸出電壓的負值不夠大（例如，-11.8V），誤差放大器會檢測到這個偏差，并驅動調整元件使其導通程度增加，從而允許更多的電流流向輸出端，使得輸出電壓的負值增加，接近-12V。

• 如果輸出電壓的負值過大（例如，-12.2V），誤差放大器會驅動調整元件使其導通程度減小，從而減少流向輸出端的電流，使得輸出電壓的負值減小，回到-12V。

這個閉環反饋系統使得LM7912能夠動態地調整自身，以補償輸入電壓的變化、負載電流的變化以及溫度漂移，從而提供一個高度穩定的-12V輸出。

5. LM7912典型應用電路

LM7912的典型應用電路非常簡單，通常只需要幾個外部元件即可構成一個穩定的負電源。

5.1. 基本負電壓穩壓電路

這是最常見的應用方式，用于從一個未穩壓的負輸入電壓產生一個穩定的-12V輸出。

       C_IN
       ||
       ||
   Vin ---||---+---------- LM7912 ----------+ Vout (-12V)
        ---||---+          | IN  OUT |
                  |          |         |
                  |          +---------+
                  |            | GND
                  |            |
                  |            |
                GND ---------- GND -------- GND
                               |
                               |
                               +--- C_OUT
                                    ||
                                    ||
                                    ||
                                    ---||
                                    GND

元件選擇：

• 輸入電容 (C_IN): 通常為 0.33muF 到 1muF 的電解電容或陶瓷電容，用于改善輸入瞬態響應和濾除輸入電壓上的高頻噪聲和紋波。它應該放置在盡可能靠近LM7912的輸入引腳。

• 輸出電容 (C_OUT): 通常為 0.1muF 到 1muF 的電解電容或陶瓷電容，用于改善負載瞬態響應，提高輸出穩定性，并抑制可能的高頻振蕩。它也應放置在盡可能靠近LM7912的輸出引腳。

注意事項：

• 輸入電壓： V_IN 必須是負值，且其絕對值應大于 ∣V_OUT∣+∣V_DROPOUT∣。例如，如果輸出是-12V，壓差為1.5V，那么輸入電壓至少要比-13.5V更負。通常建議輸入電壓在-14.5V到-27V之間。

• 接地： 確保輸入地、輸出地和LM7912的GND引腳正確連接。良好、低阻抗的接地路徑對于穩壓器的穩定工作至關重要。

• 電容ESR： 穩壓器對輸出電容的等效串聯電阻（ESR）有一定要求。通常建議使用低ESR的電容，特別是對于大電流應用。

5.2. 雙電源供電電路 (與LM7812配合)

在許多模擬電路中，如運算放大器，需要正負雙電源供電。LM7912可以與LM7812（或78L12）配合使用，從一個中心抽頭的變壓器整流后的電源產生正負12V輸出。

            +----------+      +----------+
            | 整流濾波 |      | 整流濾波 |
            | (正電壓) |      | (負電壓) |
            +----------+      +----------+
                 |                 |
                 |                 |
                 V+                V-
                 |                 |
                 |                 |
         +-------+-------+ +-------+-------+
         | LM7812        | | LM7912        |
         | IN  OUT |     | | IN  OUT |     |
         +---------+     | +---------+     |
           | GND         |   | GND         |
           |             |   |             |
           |             |   |             |
          GND           GND GND           GND
           |             |   |             |
           |             |   |             |
           V+ out (+12V)  V- out (-12V)

連接方式：

• LM7812： 輸入接未穩壓的正電壓，輸出接+12V。

• LM7912： 輸入接未穩壓的負電壓，輸出接-12V。

• 公共地： 兩個穩壓器的GND引腳都連接到電路的公共地。

6. 散熱考慮

LM7912在工作時會產生熱量，特別是在輸入-輸出壓差較大或輸出電流較高時。這些熱量需要有效地散發出去，以防止芯片內部溫度過高而觸發熱關斷，甚至損壞器件。

產生的功耗 (P_D) 計算公式：

P_D=(∣V_IN∣?∣V_OUT∣)timesI_OUT

其中：

• P_D 是器件的功耗（單位：瓦特 W）

• ∣V_IN∣ 是輸入電壓的絕對值

• ∣V_OUT∣ 是輸出電壓的絕對值

• I_OUT 是輸出電流（單位：安培 A）

例如，如果輸入電壓是-20V，輸出電流是0.5A：P_D=(∣?20V∣?∣?12V∣)times0.5A=(20V?12V)times0.5A=8Vtimes0.5A=4W

散熱方式：

• 自然對流散熱： 對于小電流和低壓差應用，LM7912（TO-220封裝）自身的金屬散熱片可能足以通過自然對流和輻射散發熱量。

• 安裝散熱片： 當功耗超過一定值時（通常是2W以上，具體取決于環境溫度和空氣流通情況），必須為LM7912安裝額外的散熱片。散熱片可以有效增加散熱面積，降低芯片溫度。

• 散熱膏/絕緣墊： 在LM7912的金屬背板和散熱片之間涂抹導熱硅脂或放置導熱絕緣墊，可以提高熱傳導效率。

• PCB布局： 良好的PCB布局也有助于散熱。盡量增加與芯片散熱區域相連的銅箔面積，并確保有足夠的空氣流通。

熱阻 (R_thetaJA 和 R_thetaJC):

• 結到環境熱阻 (R_thetaJA): 衡量從芯片內部結點到周圍環境的熱阻。這個值越小，散熱效果越好。對于TO-220封裝，無散熱片時 typically $60^circ C/W$ 左右。

• 結到殼熱阻 (R_thetaJC): 衡量從芯片內部結點到封裝外殼的熱阻。這個值通常很小，例如 $5^circ C/W$ 左右。

通過熱阻和功耗可以估算芯片的結溫（T_J）：

T_J=T_A+(P_DtimesR_thetaJA)

其中 T_A 是環境溫度。確保 T_J 不超過芯片的最高允許結溫（通常是 $125^circ C$ 或 $150^circ C$），以保證長期可靠性。如果計算出的結溫過高，就需要改進散熱設計。

7. LM7912的優勢與局限性

優勢：

• 使用簡單： 作為三端固定穩壓器，它只需要很少的外部元件即可工作，降低了電路設計的復雜性。

• 高度集成： 內部集成了多種保護功能，如過熱、過流和SOA保護，增強了系統的可靠性。

• 輸出穩定： 能夠提供非常穩定的固定負電壓輸出，對輸入電壓和負載變化具有良好的調整率。

• 成本效益高： 相對于復雜的開關電源解決方案，線性穩壓器成本更低，適用于對效率要求不那么苛刻的應用。

• 低噪聲： 線性穩壓器通常比開關電源產生更低的輸出紋波和噪聲，這對于模擬電路和精密儀器非常重要。

局限性：

• 效率較低： 作為線性穩壓器，當輸入電壓和輸出電壓之間壓差較大時，會以熱量的形式消耗多余的能量，導致效率較低。這尤其在高電流應用中更為明顯。

• 需要散熱： 較低的效率意味著更多的能量轉化為熱量，因此在大功率應用中，需要額外的散熱措施（如散熱片）。

• 無法升壓或降壓： 只能實現降壓穩壓（將更負的電壓轉換為固定的負電壓），不能用于升壓或反相應用。

• 輸入電壓限制： 需要輸入電壓比輸出電壓有足夠的壓差才能正常工作，同時輸入電壓不能超過最大額定值。

• 固定輸出電壓： LM7912提供的是固定的-12V輸出，如果需要其他負電壓，則需要選擇其他型號（如LM7905、LM7915）或使用可調負壓穩壓器（如LM337）。

8. 設計與使用注意事項

• 電容放置： 輸入和輸出旁路電容應盡可能靠近LM7912的引腳，以最大限度地減小寄生電感和電阻的影響，從而提高穩壓性能和抑制振蕩。

• 地線布局： 采用星形接地或低阻抗的接地平面，以避免地線環路和噪聲干擾。大電流路徑應短而粗。

• 輸入電壓紋波： 雖然LM7912具有良好的紋波抑制能力，但輸入電壓的紋波不宜過大。如果輸入紋波過大，建議在LM7912之前增加一個大容量的濾波電容。

• 最大輸入電壓： 嚴格遵守數據手冊中的最大輸入電壓限制，避免瞬態過壓。

• 輸出短路保護： 盡管LM7912有內部短路保護，但在實際應用中，仍應確保負載不會長時間短路，因為長時間的短路可能導致芯片溫度過高而加速老化。

• 反向偏置保護： 在某些情況下，如果輸入電壓瞬時低于輸出電壓（例如，在關機時輸出電容放電慢于輸入），可能會導致穩壓器內部電流反向流動。此時，可以在輸入端和輸出端之間并聯一個反向二極管（肖特基二極管），以提供電流路徑，保護穩壓器。

• 瞬態響應： 對于負載電流快速變化的場合，適當增加輸出電容容量可以改善瞬態響應，減小輸出電壓的瞬態跌落或過沖。

• 并聯使用： 一般不建議將多個LM7912直接并聯以獲得更大的輸出電流，因為它們之間的電流分配可能不均。如果需要更大的電流，應使用專用的并聯穩壓器或帶有外部功率晶體管的穩壓方案。