LM317 可调稳压器中文资料概述

　　LM317是一款应用极其广泛的三端可调正电压稳压器，由美国国家半导体公司（National Semiconductor，现已被德州仪器TI收购）推出。自问世以来，它以其优异的性能、简单的外围电路和极高的可靠性，在各种电子设备中扮演着至关重要的角色，从简单的直流电源到复杂的工业控制系统，无处不在。

　　1. LM317 核心特性与优势

　　LM317之所以如此受欢迎，得益于其一系列出色的特性：

　　宽输出电压范围： LM317的输出电压可从1.25V连续调节至37V，这一宽广的调节范围使其能够满足绝大多数低压直流电源的需求。

　　高输出电流能力： 标准LM317在适当散热条件下，可提供超过1.5A的输出电流。对于需要更高电流的应用，还存在更高电流规格的衍生型号（如LM350、LM338等）。

　　出色的线路与负载调整率： LM317具备优异的线路调整率（即输入电压变化对输出电压的影响）和负载调整率（即负载电流变化对输出电压的影响），确保输出电压在各种工况下保持稳定。典型线路调整率可达0.01%/V，负载调整率可达0.1%。

　　内置过载保护： LM317集成了多种保护机制，包括限流保护、过热关断保护和安全工作区保护。这些保护功能极大地提高了芯片的可靠性和耐用性，即使在短路或过载等异常情况下也能有效防止损坏。

　　浮动操作特性： 稳压器是“浮动”的，这意味着它仅看到输入和输出之间的电压差。这一特性使得LM317不仅可以用于构建固定电压源，还能轻松实现恒流源或高端稳压器等特殊应用。

　　低噪声： LM317在输出电压中产生的噪声较低，这对于对电源质量要求较高的精密电路非常有利。

　　易于使用： LM317仅需两个外部电阻即可设定输出电压，外围电路极其简单，这大大降低了设计和调试的复杂性。

　　2. LM317 内部结构与工作原理

　　理解LM317的工作原理，有助于更好地进行电路设计。LM317内部包含一个高增益运算放大器、一个精密电压基准、功率晶体管以及各种保护电路。

　　基准电压源： LM317的核心是一个1.25V的精密基准电压源，通常位于调整端（ADJ）和输出端（OUT）之间。这个基准电压是LM317稳定输出的基础。

　　误差放大器： 误差放大器负责比较输出电压在调整端的采样值与内部基准电压。如果两者之间存在差异，误差放大器会产生一个误差信号。

　　调整管（功率晶体管）： 误差信号经过放大后，驱动内部的功率晶体管。这个功率晶体管作为一个可变电阻，通过改变其导通程度来调整流过负载的电流，从而将输出电压调整到所需的值。

　　反馈回路： 通过外部电阻分压器，输出电压的一部分被反馈到调整端。误差放大器根据这个反馈电压与内部基准电压的比较结果，不断调整功率晶体管的导通，使得调整端与输出端之间的电压差始终维持在1.25V。

　　基于这个原理，LM317的输出电压 (VOUT) 可以通过以下公式计算：

　　VOUT=VREF(1+R1R2)+IADJ⋅R2

　　其中：

　　VREF 是内部基准电压，典型值为1.25V。

　　R1 和 R2 是用于设置输出电压的外部电阻。

　　IADJ 是调整端电流，典型值约为50µA。由于 IADJ 的数值很小且相对稳定，在大多数实际应用中，其对输出电压的影响可以忽略不计，因此简化后的公式为：

　　VOUT≈VREF(1+R1R2)

　　3. LM317 典型应用电路解析

　　LM317的应用非常灵活，以下是几种常见的典型应用：

　　3.1. 可调直流稳压电源

　　这是LM317最基本也是最常用的应用。

　　电路构成： 仅需两个外部电阻 R1 和 R2 即可设定输出电压。通常，R1 取值固定，例如240Ω，而 R2 则使用一个可调电位器或与固定电阻串联，实现输出电压的调节。

　　输入电容 (CIN): 通常在输入端并联一个电解电容（如0.1µF至1µF）和一个瓷片电容（如0.01µF或0.1µF）。电解电容用于滤除电源纹波，而瓷片电容则用于滤除高频噪声，提高电源的稳定性。

　　输出电容 (COUT): 在输出端并联一个电解电容（如1µF至10µF）和一个瓷片电容。输出电容有助于改善瞬态响应，减少输出纹波，并抑制高频振荡。

　　保护二极管：

　　D1（输入至输出）： 在输入和输出之间反向并联一个二极管（如1N4001），当输出电压可能高于输入电压时（例如输入短路或关机时输出端存在大电容放电），保护LM317内部电路免受反向电流冲击。

　　D2（输出至调整端）： 在输出和调整端之间反向并联一个二极管，当调整端由于某种原因（如R2开路或瞬间接触不良）导致输出电压瞬时升高时，保护调整端。

　　3.2. 固定电压输出稳压电源

　　虽然LM317是可调稳压器，但也可以通过固定R1和R2的阻值来获得一个固定的输出电压。这在需要多种固定电压的系统中非常方便，只需为每个电压值配置一个LM317。

　　3.3. 精密恒流源

　　LM317的恒流特性是其“浮动”操作的直接体现。

　　电路构成： 仅需一个外部电阻 RSET 连接在调整端和输出端之间。

　　工作原理： 由于调整端与输出端之间的电压差始终保持在1.25V，因此流过电阻 RSET 的电流 IOUT 恒定为：

　　IOUT=RSETVREF=RSET1.25V应用： 广泛应用于LED驱动、电池充电器、电机驱动等需要精确恒定电流的场合。通过选择合适的 RSET 值，可以方便地设置所需的恒流值。

　　3.4. 高压稳压电源

　　虽然LM317的最大输入电压通常为40V，但通过引入外部晶体管，可以扩展其工作在高压环境下。

　　工作原理： 利用外部晶体管（如PNP型功率晶体管）作为串联调整元件。LM317作为基准电压源和误差放大器来驱动外部晶体管的基极。这样，大部分电压降由外部晶体管承担，LM317本身的工作电压范围保持在其规格之内。

　　设计要点： 需仔细计算晶体管的功耗，并确保其有足够的散热措施。

　　3.5. 纹波抑制器

　　LM317优异的纹波抑制能力使其可以作为前级稳压器来降低输入纹波，从而改善后级电路的电源质量。即使在较高纹波的输入环境下，LM317也能提供非常稳定的直流输出。

　　4. LM317 设计考量与注意事项

　　在实际应用LM317时，需要考虑以下几个重要方面：

　　4.1. 散热问题

　　LM317在工作时会有功耗，尤其是在输入电压与输出电压压差较大且输出电流较高的情况下，芯片的功耗会显著增加。

　　功耗计算： 芯片的功耗 PD=(VIN−VOUT)×IOUT。

　　散热要求： 必须确保LM317的结温（Junction Temperature）不超过其最大允许值（通常为125°C或150°C）。这意味着需要根据功耗选择合适的散热片。在功耗较大时，甚至需要强制风冷。

　　热阻： 散热片的散热能力用热阻（Thermal Resistance）表示，单位为°C/W。总热阻（结到环境）应满足：

　　RJA=RJC+RCS+RSA<PDTJ(max)−TA其中：

　　RJC 是结到壳的热阻。

　　RCS 是壳到散热片的热阻（通常由导热硅脂或绝缘垫决定）。

　　RSA 是散热片到环境的热阻。

　　TJ(max) 是最大允许结温。

　　TA 是环境温度。

　　4.2. 输入电压范围

　　最小压差： LM317需要一个最小的输入-输出电压差才能正常工作，通常称为压差电压（Dropout Voltage），典型值为2V至3V。如果输入电压过低，LM317将无法稳定输出所需的电压。

　　最大输入电压： LM317的最大输入电压通常为40V。超过此电压可能导致芯片损坏。

　　4.3. 外部电容的选择

　　输入电容： 建议使用1µF或更大的电解电容，靠近LM317的输入引脚放置，用于滤除输入纹波和瞬态噪声。

　　输出电容： 建议使用1µF或更大的电解电容，靠近LM317的输出引脚放置，用于改善瞬态响应和稳定性。增加输出电容有助于降低输出纹波，但过大的电容可能影响启动时间。

　　瓷片电容： 在电解电容旁边并联小容量（如0.1µF）的瓷片电容，有助于滤除高频噪声。

　　4.4. 调整电阻的精度与功耗

　　精度： R1 和 R2 的精度直接影响输出电压的精度。建议使用1%或更高精度的金属膜电阻。

　　功耗： 两个电阻的功耗通常很小，普通1/4W或1/8W的电阻即可。但对于大电流应用，如果 R1 和 R2 靠近发热的LM317，应注意电阻的温度漂移，必要时选择低温度系数的电阻。

　　4.5. 保护二极管的重要性

　　如前所述，保护二极管在LM317电路中至关重要。

　　输入至输出二极管 (D1): 当输入电压突然消失或短路时，输出电容上存储的电荷可能会通过LM317的反向路径放电，损坏芯片。这个二极管提供了一条低阻抗的放电路径，保护LM317。

　　输出至调整端二极管 (D2): 当调整端回路（如 R2）意外断开时，LM317的输出电压可能会飙升，这个二极管可以防止调整端过压，保护内部电路。

　　4.6. 噪声与纹波抑制

　　虽然LM317的纹波抑制能力较好，但在对噪声敏感的应用中，可以通过以下方法进一步改善：

　　增加输出电容： 适当增加输出滤波电容的容量。

　　RC滤波器： 在调整端增加一个RC滤波器，可以进一步降低输出噪声。这会在调整端引入一个低通滤波器，滤除来自地线的噪声。

　　地线布局： 良好的地线布局对于电源的稳定性至关重要。应采用星形接地或大面积覆铜，避免地线环路。

　　5. LM317 的封装形式与型号衍生

　　LM317有多种封装形式，以适应不同的应用和散热需求：

　　TO-220： 最常见的封装，通常用于中等功率应用，方便安装散热片。

　　TO-92： 用于小功率应用，无需散热片。

　　SOT-223： 表面贴装封装，适用于紧凑型设计。

　　TO-3： 金属封装，用于大功率应用，提供更好的散热能力。

　　除了标准的LM317，还有一些衍生型号，例如：

　　LM317L： 低功耗或低电流版本。

　　LM317HVK： 高压版本，可承受更高的输入电压。

　　LM350： 3A输出电流版本，引脚兼容LM317。

　　LM338： 5A输出电流版本，引脚兼容LM317。

　　6. 结论

　　LM317作为一款经典的线性稳压器，以其优异的性能、简单的使用和极高的可靠性，在电子设计领域占据着不可动摇的地位。掌握其工作原理、应用电路和设计考量，是每一位电子工程师的基本功。尽管开关稳压器在效率方面具有优势，但在需要低噪声、低纹波、简单电路或对效率要求不那么苛刻的场合，LM317依然是不可替代的选择。通过本文的详细介绍，希望能帮助您更好地理解和应用LM317，从而在您的电子设计中发挥其最大潜力。