LM317 可調穩壓器中文資料概述

　　LM317是一款應用極其廣泛的三端可調正電壓穩壓器，由美國國家半導體公司（National Semiconductor，現已被德州儀器TI收購）推出。自問世以來，它以其優異的性能、簡單的外圍電路和極高的可靠性，在各種電子設備中扮演著至關重要的角色，從簡單的直流電源到復雜的工業控制系統，無處不在。

　　1. LM317 核心特性與優勢

　　LM317之所以如此受歡迎，得益于其一系列出色的特性：

　　寬輸出電壓范圍： LM317的輸出電壓可從1.25V連續調節至37V，這一寬廣的調節范圍使其能夠滿足絕大多數低壓直流電源的需求。

　　高輸出電流能力： 標準LM317在適當散熱條件下，可提供超過1.5A的輸出電流。對于需要更高電流的應用，還存在更高電流規格的衍生型號（如LM350、LM338等）。

　　出色的線路與負載調整率： LM317具備優異的線路調整率（即輸入電壓變化對輸出電壓的影響）和負載調整率（即負載電流變化對輸出電壓的影響），確保輸出電壓在各種工況下保持穩定。典型線路調整率可達0.01%/V，負載調整率可達0.1%。

　　內置過載保護： LM317集成了多種保護機制，包括限流保護、過熱關斷保護和安全工作區保護。這些保護功能極大地提高了芯片的可靠性和耐用性，即使在短路或過載等異常情況下也能有效防止損壞。

　　浮動操作特性： 穩壓器是“浮動”的，這意味著它僅看到輸入和輸出之間的電壓差。這一特性使得LM317不僅可以用于構建固定電壓源，還能輕松實現恒流源或高端穩壓器等特殊應用。

　　低噪聲： LM317在輸出電壓中產生的噪聲較低，這對于對電源質量要求較高的精密電路非常有利。

　　易于使用： LM317僅需兩個外部電阻即可設定輸出電壓，外圍電路極其簡單，這大大降低了設計和調試的復雜性。

　　2. LM317 內部結構與工作原理

　　理解LM317的工作原理，有助于更好地進行電路設計。LM317內部包含一個高增益運算放大器、一個精密電壓基準、功率晶體管以及各種保護電路。

　　基準電壓源： LM317的核心是一個1.25V的精密基準電壓源，通常位于調整端（ADJ）和輸出端（OUT）之間。這個基準電壓是LM317穩定輸出的基礎。

　　誤差放大器： 誤差放大器負責比較輸出電壓在調整端的采樣值與內部基準電壓。如果兩者之間存在差異，誤差放大器會產生一個誤差信號。

　　調整管（功率晶體管）： 誤差信號經過放大后，驅動內部的功率晶體管。這個功率晶體管作為一個可變電阻，通過改變其導通程度來調整流過負載的電流，從而將輸出電壓調整到所需的值。

　　反饋回路： 通過外部電阻分壓器，輸出電壓的一部分被反饋到調整端。誤差放大器根據這個反饋電壓與內部基準電壓的比較結果，不斷調整功率晶體管的導通，使得調整端與輸出端之間的電壓差始終維持在1.25V。

　　基于這個原理，LM317的輸出電壓 (VOUT) 可以通過以下公式計算：

　　VOUT=VREF(1+R1R2)+IADJ?R2

　　其中：

　　VREF 是內部基準電壓，典型值為1.25V。

　　R1 和 R2 是用于設置輸出電壓的外部電阻。

　　IADJ 是調整端電流，典型值約為50μA。由于 IADJ 的數值很小且相對穩定，在大多數實際應用中，其對輸出電壓的影響可以忽略不計，因此簡化后的公式為：

　　VOUT≈VREF(1+R1R2)

　　3. LM317 典型應用電路解析

　　LM317的應用非常靈活，以下是幾種常見的典型應用：

　　3.1. 可調直流穩壓電源

　　這是LM317最基本也是最常用的應用。

　　電路構成： 僅需兩個外部電阻 R1 和 R2 即可設定輸出電壓。通常，R1 取值固定，例如240Ω，而 R2 則使用一個可調電位器或與固定電阻串聯，實現輸出電壓的調節。

　　輸入電容 (CIN): 通常在輸入端并聯一個電解電容（如0.1μF至1μF）和一個瓷片電容（如0.01μF或0.1μF）。電解電容用于濾除電源紋波，而瓷片電容則用于濾除高頻噪聲，提高電源的穩定性。

　　輸出電容 (COUT): 在輸出端并聯一個電解電容（如1μF至10μF）和一個瓷片電容。輸出電容有助于改善瞬態響應，減少輸出紋波，并抑制高頻振蕩。

　　保護二極管：

　　D1（輸入至輸出）： 在輸入和輸出之間反向并聯一個二極管（如1N4001），當輸出電壓可能高于輸入電壓時（例如輸入短路或關機時輸出端存在大電容放電），保護LM317內部電路免受反向電流沖擊。

　　D2（輸出至調整端）： 在輸出和調整端之間反向并聯一個二極管，當調整端由于某種原因（如R2開路或瞬間接觸不良）導致輸出電壓瞬時升高時，保護調整端。

　　3.2. 固定電壓輸出穩壓電源

　　雖然LM317是可調穩壓器，但也可以通過固定R1和R2的阻值來獲得一個固定的輸出電壓。這在需要多種固定電壓的系統中非常方便，只需為每個電壓值配置一個LM317。

　　3.3. 精密恒流源

　　LM317的恒流特性是其“浮動”操作的直接體現。

　　電路構成： 僅需一個外部電阻 RSET 連接在調整端和輸出端之間。

　　工作原理： 由于調整端與輸出端之間的電壓差始終保持在1.25V，因此流過電阻 RSET 的電流 IOUT 恒定為：

　　IOUT=RSETVREF=RSET1.25V應用： 廣泛應用于LED驅動、電池充電器、電機驅動等需要精確恒定電流的場合。通過選擇合適的 RSET 值，可以方便地設置所需的恒流值。

　　3.4. 高壓穩壓電源

　　雖然LM317的最大輸入電壓通常為40V，但通過引入外部晶體管，可以擴展其工作在高壓環境下。

　　工作原理： 利用外部晶體管（如PNP型功率晶體管）作為串聯調整元件。LM317作為基準電壓源和誤差放大器來驅動外部晶體管的基極。這樣，大部分電壓降由外部晶體管承擔，LM317本身的工作電壓范圍保持在其規格之內。

　　設計要點： 需仔細計算晶體管的功耗，并確保其有足夠的散熱措施。

　　3.5. 紋波抑制器

　　LM317優異的紋波抑制能力使其可以作為前級穩壓器來降低輸入紋波，從而改善后級電路的電源質量。即使在較高紋波的輸入環境下，LM317也能提供非常穩定的直流輸出。

　　4. LM317 設計考量與注意事項

　　在實際應用LM317時，需要考慮以下幾個重要方面：

　　4.1. 散熱問題

　　LM317在工作時會有功耗，尤其是在輸入電壓與輸出電壓壓差較大且輸出電流較高的情況下，芯片的功耗會顯著增加。

　　功耗計算： 芯片的功耗 PD=(VIN?VOUT)×IOUT。

　　散熱要求： 必須確保LM317的結溫（Junction Temperature）不超過其最大允許值（通常為125°C或150°C）。這意味著需要根據功耗選擇合適的散熱片。在功耗較大時，甚至需要強制風冷。

　　熱阻： 散熱片的散熱能力用熱阻（Thermal Resistance）表示，單位為°C/W。總熱阻（結到環境）應滿足：

　　RJA=RJC+RCS+RSA<PDTJ(max)?TA其中：

　　RJC 是結到殼的熱阻。

　　RCS 是殼到散熱片的熱阻（通常由導熱硅脂或絕緣墊決定）。

　　RSA 是散熱片到環境的熱阻。

　　TJ(max) 是最大允許結溫。

　　TA 是環境溫度。

　　4.2. 輸入電壓范圍

　　最小壓差： LM317需要一個最小的輸入-輸出電壓差才能正常工作，通常稱為壓差電壓（Dropout Voltage），典型值為2V至3V。如果輸入電壓過低，LM317將無法穩定輸出所需的電壓。

　　最大輸入電壓： LM317的最大輸入電壓通常為40V。超過此電壓可能導致芯片損壞。

　　4.3. 外部電容的選擇

　　輸入電容： 建議使用1μF或更大的電解電容，靠近LM317的輸入引腳放置，用于濾除輸入紋波和瞬態噪聲。

　　輸出電容： 建議使用1μF或更大的電解電容，靠近LM317的輸出引腳放置，用于改善瞬態響應和穩定性。增加輸出電容有助于降低輸出紋波，但過大的電容可能影響啟動時間。

　　瓷片電容： 在電解電容旁邊并聯小容量（如0.1μF）的瓷片電容，有助于濾除高頻噪聲。

　　4.4. 調整電阻的精度與功耗

　　精度： R1 和 R2 的精度直接影響輸出電壓的精度。建議使用1%或更高精度的金屬膜電阻。

　　功耗： 兩個電阻的功耗通常很小，普通1/4W或1/8W的電阻即可。但對于大電流應用，如果 R1 和 R2 靠近發熱的LM317，應注意電阻的溫度漂移，必要時選擇低溫度系數的電阻。

　　4.5. 保護二極管的重要性

　　如前所述，保護二極管在LM317電路中至關重要。

　　輸入至輸出二極管 (D1): 當輸入電壓突然消失或短路時，輸出電容上存儲的電荷可能會通過LM317的反向路徑放電，損壞芯片。這個二極管提供了一條低阻抗的放電路徑，保護LM317。

　　輸出至調整端二極管 (D2): 當調整端回路（如 R2）意外斷開時，LM317的輸出電壓可能會飆升，這個二極管可以防止調整端過壓，保護內部電路。

　　4.6. 噪聲與紋波抑制

　　雖然LM317的紋波抑制能力較好，但在對噪聲敏感的應用中，可以通過以下方法進一步改善：

　　增加輸出電容： 適當增加輸出濾波電容的容量。

　　RC濾波器： 在調整端增加一個RC濾波器，可以進一步降低輸出噪聲。這會在調整端引入一個低通濾波器，濾除來自地線的噪聲。

　　地線布局： 良好的地線布局對于電源的穩定性至關重要。應采用星形接地或大面積覆銅，避免地線環路。

　　5. LM317 的封裝形式與型號衍生

　　LM317有多種封裝形式，以適應不同的應用和散熱需求：

　　TO-220： 最常見的封裝，通常用于中等功率應用，方便安裝散熱片。

　　TO-92： 用于小功率應用，無需散熱片。

　　SOT-223： 表面貼裝封裝，適用于緊湊型設計。

　　TO-3： 金屬封裝，用于大功率應用，提供更好的散熱能力。

　　除了標準的LM317，還有一些衍生型號，例如：

　　LM317L： 低功耗或低電流版本。

　　LM317HVK： 高壓版本，可承受更高的輸入電壓。

　　LM350： 3A輸出電流版本，引腳兼容LM317。

　　LM338： 5A輸出電流版本，引腳兼容LM317。

　　6. 結論

　　LM317作為一款經典的線性穩壓器，以其優異的性能、簡單的使用和極高的可靠性，在電子設計領域占據著不可動搖的地位。掌握其工作原理、應用電路和設計考量，是每一位電子工程師的基本功。盡管開關穩壓器在效率方面具有優勢，但在需要低噪聲、低紋波、簡單電路或對效率要求不那么苛刻的場合，LM317依然是不可替代的選擇。通過本文的詳細介紹，希望能幫助您更好地理解和應用LM317，從而在您的電子設計中發揮其最大潛力。