LM2937：500 mA低压差稳压器
特性
- 适用于-40°C至+125°C的宽温度范围
- 最大输出电流可达500 mA
- 在所有工作条件下，输出电压精度为±5%
- 在满载500 mA时，压差电压典型值为0.5 V
- 支持高达3 Ω的输出电容ESR范围
- 内置短路和热过载保护机制
- 具备电池反向保护功能
- 可承受高达60 V的输入瞬态电压
- 镜像插入保护设计
产品描述
LM2937是一款正电压调节器，能够提供最高500 mA的负载电流。该器件采用PNP功率晶体管结构，从而实现了低压差的特性。在500 mA负载电流下，输入与输出之间的最小压差通常为0.5 V，且在整个工作温度范围内，压差最大不超过1 V。
当输入与输出电压差超过3 V时，LM2937通过优化电路设计，将静态电流控制在10 mA以内（在500 mA负载条件下）。
为了确保系统稳定性，LM2937需要一个输出旁路电容。尽管大多数低压差稳压器对电容的ESR有严格要求，但LM2937通过特殊的补偿电路设计，放宽了ESR限制。该器件在ESR低于3 Ω的条件下均能保持稳定，因此可使用低ESR陶瓷电容。
LM2937特别适用于汽车电子系统，具备多种保护机制，包括反向电池连接保护、双电池跳线保护以及高达±60 V的负载转储瞬态保护。此外，还集成了短路保护和热关断功能，提升了系统的可靠性。
典型应用
若稳压器与输入滤波电容之间的距离超过3英寸，建议添加额外的滤波电容以确保系统稳定性。
为维持调节器的稳定性，输出电容Cout必须至少为10 μF，并应尽可能靠近稳压器安装。该电容的等效串联电阻（ESR）可高达3 Ω。
应用建议
外部电容器
输出电容在维持调节器稳定性方面起着关键作用，必须满足最小电容值和ESR范围的要求。
最小电容要求为10 μF，该值可根据需要适当增加。电容值越大，系统的瞬态响应性能越佳。
ESR限制：若输出电容的ESR过高或过低，均可能导致调节器回路不稳定。下图展示了ESR与负载电流之间的关系曲线，设计时应确保电容的ESR满足该曲线所限定的范围。
图1. ESR限值
需注意的是，大多数电容器的ESR仅在室温下标称，而实际应用中，设计人员必须确保在整个工作温度范围内ESR保持在允许范围内。例如，铝电解电容在温度从25°C降至-40°C时，其ESR可能增加约30倍，因此不适合低温环境。
固态钽电容在温度变化下具有更稳定的ESR特性，但成本高于铝电解电容。一种经济有效的替代方案是将铝电解电容与固态钽电容并联使用，总电容按约75/25%的比例分配，其中铝电解电容提供主要电容值。
当两个电容并联时，其等效ESR为两者并联后的结果。由于钽电容的ESR在温度变化下更平坦，因此可有效抑制低温下ESR的快速上升。
散热设计
根据应用中的最大功耗和环境温度，可能需要为LM2937添加散热片。在所有工作条件下，必须确保结温不超过绝对最大额定值。
判断是否需要散热片，需计算稳压器的功耗PD。下图展示了电路中的电压和电流关系，并提供了功耗计算公式：
图2. 功耗图
接下来需计算最大允许温升TR(max)，其计算公式如下：
其中：
- TJ(max)：最大允许结温，商用级器件为125°C
- TA(max)：应用中可能遇到的最大环境温度
根据TR(max)和PD值，可计算出最大允许的结到环境热阻θ(J−A)：
若计算出的θ(J−A)值大于以下封装的热阻限制，则无需使用散热片：
- TO-220封装：≥53°C/W
- DDPAK/TO-263封装：≥80°C/W
- SOT-223封装：≥174°C/W
若计算值低于上述限制，则需添加散热片。
TO-220封装散热
TO-220封装可安装在标准散热片上，或通过PCB上的铜平面进行散热。若使用铜平面，其热阻特性与DDPAK/TO-263封装相似。
选择散热片时，需计算散热器与环境之间的热阻θ(H−A)：
其中，θ(J−C)为结到外壳的热阻，通常可取3°C/W。
θ(C−H)为外壳与散热器之间的热阻，通常在1.5°C/W至2.5°C/W之间，若无确切数据，可假设为2°C/W。
根据计算结果选择合适的散热器，其θ(H−A)值应小于或等于计算值。散热器制造商通常在产品手册中提供θ(H−A)的数值或曲线。
DDPAK/TO-263和SOT-223封装散热
DDPAK/TO-263（“S”）和SOT-223（“MP”）封装通常通过PCB上的铜平面进行散热。为提高散热效率，建议将封装引脚焊接至铜平面。
图3展示了DDPAK/TO-263封装在不同铜面积下的θ(J−A)测量值，PCB使用1盎司铜，且无焊料掩膜。
图3. DDPAK/TO-263封装的θ(J−A)与铜（1盎司）面积的关系
图4. DDPAK/TO-263封装的最大功耗与TAMB的关系
如图所示，铜面积超过1平方英寸后，散热效果提升有限。此外，DDPAK/TO-263封装在PCB上的最小θ(J−A)为32°C/W。
图4还展示了在θ(J−A)为35°C/W、最大结温为125°C的假设下，DDPAK/TO-263封装的最大允许功耗与环境温度的关系。
图5和图6展示了SOT-223封装的散热特性。图6假设1盎司铜的θ(J−A)为74°C/W，2盎司铜的θ(J−A)为51°C/W，且最大结温为+85°C。
图5. SOT-223封装的θ(J−A)与铜（2盎司）面积的关系
图6. SOT-223封装的最大功耗与TAMB的关系
SOT-223封装焊接建议
不建议使用手工焊接或波峰焊将SOT-223封装连接至PCB，因为高温可能导致封装开裂。推荐使用气相或红外回流焊技术进行焊接。