lm317中文手册


LM317是一款广受欢迎且用途广泛的三端可调正电压稳压器。自1976年由Bob Dobkin在National Semiconductor公司设计推出以来,它凭借其卓越的性能和极高的易用性,在电子设计领域占据了不可或缺的地位。无论是业余电子爱好者进行DIY项目,还是专业工程师设计复杂的电源系统,LM317都是一个经常被考虑的理想选择。本手册将详细介绍LM317的各项特性、工作原理、设计考量、典型应用以及常见问题,旨在为读者提供一个全面而深入的参考。
LM317概述:线性稳压器的基石
LM317不仅仅是一个简单的电压转换器件,它是一个集成了多种保护功能的高性能线性稳压器。其最显著的特点是输出电压的可调节性,允许用户通过简单的外部电阻网络,将输出电压设置在1.25V到37V的宽泛范围内。同时,它能够提供超过1.5A的负载电流,这使其足以应对大多数中等功率的应用需求。
线性稳压器,顾名思义,通过在电路中引入一个可变电阻(通常是串联调整管)来调整输出电压。这种工作方式的优点是输出电压纹波小、噪声低、瞬态响应好,非常适合对电源质量要求较高的敏感电路。然而,它的缺点在于效率相对较低,因为输入电压和输出电压之间的差值会以热量的形式散失掉,尤其是在输入电压较高、输出电流较大的情况下,功耗会非常显著。LM317正是这种线性稳压器中的典型代表,它在简单性、可靠性和性能之间取得了极佳的平衡。
LM317系列器件通常采用标准的三引脚封装,如TO-220、TO-263、SOT-223等,这些封装都便于散热和在电路板上安装。其内部集成了电流限制、热过载保护和安全工作区(SOA)保护等机制,这些功能大大增强了器件的鲁棒性,使其在异常工作条件下也能保持安全,有效防止了损坏。即使在调整引脚意外断开的情况下,过载保护功能依然能够发挥作用,进一步提升了系统的安全性。
LM317核心特性与技术指标
了解LM317的核心特性和技术指标是正确使用和设计电路的基础。这些参数决定了LM317在不同应用场景下的性能表现和适用范围。
2.1 输出电压可调范围
LM317最核心的功能就是其可调节的输出电压。它能够提供从1.25V到37V的连续可调正输出电压。这个范围非常宽泛,几乎覆盖了绝大多数低压和部分中压电子设备的需求。通过精确选择外部电阻,可以实现细致的电压步进调节。
2.2 输出电流能力
LM317的典型最大输出电流为1.5A。这意味着在适当的散热条件下,LM317可以为需要较高电流的负载提供稳定的电源。对于需要更大电流的应用,可能需要考虑使用LM350(3A)或LM338(5A)等更高电流的线性稳压器,或者采用开关稳压方案。
2.3 典型线性调整率与负载调整率
线性调整率(Line Regulation)和负载调整率(Load Regulation)是衡量稳压器性能的重要指标。
线性调整率: 典型值为0.01%/V。它表示在输出电流不变的情况下,输入电压变化对输出电压的影响。极低的线性调整率意味着LM317对输入电压的波动具有很强的抑制能力,即使输入电源不稳定,输出电压也能保持稳定。
负载调整率: 典型值为0.1%(对于TO-220封装,最大可达25mV或0.5% Vo,取两者中较大值)。它表示在输入电压不变的情况下,输出电流变化对输出电压的影响。出色的负载调整率确保了LM317在负载电流发生剧烈变化时,仍能维持输出电压的稳定。
2.4 参考电压(VREF)
LM317内部有一个精确的1.25V带隙基准电压源。这个基准电压是其调节机制的基础。输出电压的计算公式正是基于这个参考电压。
2.5 最小压差(Dropout Voltage)
虽然LM317不是低压差(LDO)稳压器,但它也存在一个最小输入-输出电压差。为了确保LM317正常工作并保持稳压,输入电压(VIN)必须至少比输出电压(VOUT)高出大约1.5V到3V,具体数值取决于负载电流和温度。如果输入和输出电压差太小,LM317将进入压差状态,无法有效稳压。
2.6 内部保护功能
LM317内置了多重保护电路,使其具有很高的可靠性:
电流限制(Current Limiting): 当输出电流超过设定值时,内部电路会自动限制电流,防止器件和负载损坏。
热过载保护(Thermal Overload Protection): 当芯片内部温度超过安全阈值(通常为150°C至175°C)时,LM317会自动关断输出,避免因过热而造成永久性损坏。当温度降低到安全范围后,器件会自动恢复工作。
安全工作区(Safe Operating Area, SOA)保护: 此功能限制了输出晶体管在极端电压和电流条件下的功耗,防止其进入超出安全工作范围的状态,从而提高了器件的耐用性。
2.7 封装类型
LM317有多种封装形式,以适应不同的应用和散热需求:
TO-220: 最常见的通孔封装,功率较大,便于安装散热片。
TO-263 (D2PAK): 表面贴装封装,功率较大,可通过PCB的铜层进行散热。
SOT-223: 较小的表面贴装封装,适用于对空间要求较高的低功耗应用。
TO-3: 较旧的金属封装,通常用于高功率应用,散热能力极强。
2.8 工作温度范围
LM317通常有商业级(0°C至125°C)和工业级(-40°C至125°C)等不同的工作温度范围版本,选择时应根据实际应用环境的温度要求进行考虑。
LM317的工作原理
LM317的工作原理基于其内部的带隙基准电压源和误差放大器。理解其内部结构和反馈机制,有助于更好地设计和优化电路。
3.1 引脚定义
LM317通常有三个引脚:
VIN (Input): 输入电压引脚。
VOUT (Output): 输出电压引脚。
ADJ (Adjustment): 调节引脚。这是LM317的关键引脚,通过连接外部电阻网络来设置输出电压。
3.2 基本工作原理
LM317内部的核心是一个1.25V的精确基准电压源 (VREF) 和一个误差放大器。误差放大器负责比较输出电压经过分压后的电压与内部基准电压之间的差异,并调整内部的串联调整管(通常是一个NPN晶体管的达林顿结构)的导通程度,以确保输出电压稳定在设定值。
输出电压计算公式:
LM317的输出电压(VOUT)由两个外部电阻(R1 和 R2)决定,这两个电阻组成一个分压器网络,连接在输出引脚和调节引脚之间,以及调节引脚和地之间。
公式为: VOUT=VREF×(1+R1R2)+IADJ×R2其中:
VREF 是LM317内部的基准电压,典型值为1.25V。
R1 是连接在输出引脚和调节引脚之间的电阻。
R2 是连接在调节引脚和地之间的电阻。
IADJ 是流经调节引脚的电流,典型值约为50µA到100µA。这个电流通常非常小,在大多数应用中,IADJ×R2 这一项可以忽略不计,尤其是在R2不大的情况下。
因此,简化后的输出电压计算公式通常表示为: VOUT≈VREF×(1+R1R2)
为了保证调节引脚电流 IADJ 的影响最小化,通常选择 R1 的值为240Ω(或120Ω、150Ω等,取决于具体厂家推荐和设计需求),这样流过 R1 的电流 (IR1=VREF/R1) 会远大于 IADJ。
3.3 负反馈机制
LM317通过负反馈机制来维持输出电压的稳定。具体过程如下:
输出电压 VOUT 通过电阻 R1 和 R2 构成的分压器网络,将一部分电压反馈到调节引脚ADJ。
LM317内部的误差放大器比较ADJ引脚上的电压和内部1.25V基准电压。
如果ADJ引脚上的电压偏离了基准电压(例如,因负载变化导致 VOUT 略微下降,进而导致ADJ电压下降),误差放大器会检测到这个偏差。
误差放大器会相应地调整内部串联调整管的导通程度。如果ADJ电压低于1.25V,调整管会进一步导通,使更多的电流流向负载,从而提高 VOUT。反之,如果ADJ电压高于1.25V,调整管会减小导通,降低 VOUT。
这个闭环反馈系统不断调整,直到ADJ引脚上的电压等于内部1.25V基准电压,从而使 VOUT 稳定在由 R1 和 R2 设定的值。
这个精密的反馈系统是LM317能够提供稳定输出的关键。
LM317的典型应用电路
LM317由于其灵活性和可靠性,被广泛应用于各种电子设备中。以下是一些常见的典型应用电路:
4.1 可调稳压电源
这是LM317最基本也是最常用的应用。通过改变电阻R2(通常使用一个可变电阻或电位器),可以方便地调节输出电压。
电路图:
输入: 未稳压的直流电压(例如,桥式整流后的滤波电压)。
LM317: VIN、VOUT、ADJ引脚。
电阻R1: 连接在VOUT和ADJ之间,通常取值240Ω。
电阻R2: 连接在ADJ和地之间,可以是固定电阻或电位器。
输入旁路电容C_IN: 通常为0.1μF陶瓷电容或更大容量的电解电容,靠近LM317的VIN引脚,用于滤除输入高频噪声。
输出旁路电容C_OUT: 通常为1μF或更大容量的电解电容,靠近LM317的VOUT引脚,用于改善瞬态响应和输出纹波。
保护二极管D1 (可选): 连接在VIN和VOUT之间,用于在输入短路时保护LM317,防止C_OUT上的电荷通过调节引脚反向放电。
保护二极管D2 (可选): 连接在ADJ和VOUT之间,用于在VOUT短路时保护LM317,防止C_OUT上的电荷通过ADJ引脚反向放电。
工作原理: 通过调整R2的阻值,改变ADJ引脚的分压比,从而使LM317的输出电压在1.25V到VIN-V_dropout之间可调。R1通常取固定值,例如240Ω,以保证流过它的电流足够大,从而使得LM317内部的ADJ引脚电流对输出电压的影响降到最低。
4.2 精密恒流源
LM317也可以配置成一个高精度的恒流源,这在LED驱动、电池充电器等应用中非常有用。
电路图:
输入: 未稳压的直流电压。
LM317: VIN、VOUT、ADJ引脚。
电流设定电阻R_SET: 连接在VOUT和ADJ之间。负载串联在VIN和VOUT之间。
输入旁路电容C_IN: 0.1μF陶瓷电容。
工作原理: 在恒流源配置中,LM317会尝试在VOUT和ADJ引脚之间维持1.25V的基准电压。这意味着流过R_SET的电流为 IRSET=VREF/RSET=1.25V/RSET。由于调节引脚的电流$I_{ADJ}非常小,可以忽略不计,因此输出电流I_{OUT}几乎等于流过R_{SET}$的电流。 IOUT≈IRSET=1.25V/RSET通过选择不同阻值的RSET,就可以设置所需的恒定电流。这种配置对LED灯珠的串联驱动非常理想,因为它能够稳定提供所需的电流,无论LED的正向压降如何变化。
4.3 电池充电器
LM317可以结合其他元件设计出简单的恒压或恒流充电器。
恒压充电器: 将LM317配置为特定输出电压(如4.2V用于单节锂离子电池充电),通过限制充电电压来保护电池。
恒流充电器: 将LM317配置为恒流源,通过限制充电电流来保护电池,特别是对于铅酸电池和镍氢/镍镉电池,恒流充电是常见的充电方式。可以结合检测电路实现充电完成后的自动截止或转为涓流充电。
4.4 LED驱动器
LM317作为恒流源驱动LED是最常见的应用之一。单个LM317可以驱动一个或多个串联的LED。
工作原理: 如“精密恒流源”所述,将LED串联在VOUT引脚之后,并使用合适的$R_{SET}$来设定LED的工作电流。LM317会确保流过LED的电流恒定,即使LED的正向电压随温度或个体差异而变化,也能保持亮度一致。
4.5 功放电源
在一些小型音频功放电路中,LM317可以作为前置放大器或小功率功放级的稳压电源,提供纯净的直流电源,以减少电源纹波对音质的影响。
4.6 可编程输出稳压器
通过数字电位器或微控制器控制电阻R2的值,可以实现LM317的输出电压的数字化编程,这在自动化测试设备或需要动态调整电压的系统中非常有用。
4.7 跟踪预稳压器
LM317可以用于多电源系统中,作为预稳压器为后续的LDO或其他稳压器提供一个相对稳定的输入电压,从而提高整体效率。例如,如果需要一个很低的输出电压(如1.8V),而输入电压很高(如24V),直接使用一个LDO可能会导致LDO功耗过大。此时,可以使用LM317将24V预稳压到一个较低的电压(如5V),然后再由LDO降压至1.8V,这样可以分散功耗,提高效率。
LM317的设计考量与注意事项
虽然LM317易于使用,但在实际设计中仍需考虑多个因素,以确保其稳定、高效和可靠地工作。
5.1 散热设计
散热是LM317应用中最重要的考量之一。线性稳压器通过功耗来稳定电压,因此会产生大量热量。LM317的功耗(PD)可以通过以下公式计算: PD=(VIN−VOUT)×IOUT其中:
VIN 是输入电压。
VOUT 是输出电压。
IOUT 是输出电流。
如果LM317的功耗过大,会导致芯片温度升高,进而触发内部的热过载保护,使输出电压下降甚至关断,影响电路正常工作。为了确保LM317在安全温度范围内运行,必须进行适当的散热设计:
散热片: 对于TO-220等封装,通常需要安装外部散热片。散热片的尺寸和类型应根据预计的最大功耗和环境温度来选择。散热片越大,散热效果越好。
热阻: 考虑LM317的结到环境热阻(RθJA)、结到壳热阻(RθJC),以及散热片的热阻。总热阻越小,温升越低。
PCB布局: 对于SOT-223或D2PAK等表面贴装封装,可以通过PCB上的大面积铜箔连接到LM317的接地引脚(通常也是散热焊盘)来辅助散热。铜箔面积越大,散热效果越好。应将LM317放置在PCB的中心位置,并远离其他发热元件。
空气流通: 确保设备内部有良好的空气流通,有助于散热片的效率。
5.2 输入与输出电容的选择
正确的输入和输出电容对于LM317的稳定工作至关重要。
输入旁路电容 (CIN): 建议在LM317的输入端放置一个0.1μF到1μF的陶瓷电容,尽可能靠近VIN引脚。这个电容用于滤除输入电源上的高频噪声,防止其干扰LM317的正常工作。如果输入电源距离LM317较远(例如超过15厘米或6英寸),建议再并联一个较大容量的电解电容(如10μF或以上),用于补偿线路阻抗,吸收瞬态电流。
输出旁路电容 (COUT): 建议在LM317的输出端放置一个1μF到10μF的钽电容或电解电容,尽可能靠近VOUT引脚。这个电容可以改善稳压器的瞬态响应,减少负载变化引起的输出电压波动,并降低输出纹波。对于更高的性能要求,可以使用低ESR(等效串联电阻)的电容。
5.3 保护二极管
在某些应用中,为了防止LM317在特定故障条件下损坏,可能需要添加保护二极管。
反向保护二极管 D1 (VIN到VOUT): 当LM317的输入端短路时,输出电容$C_{OUT}上存储的电荷可能会通过LM317内部的调整管反向放电,损坏器件。通过在VIN和VOUT之间反向并联一个肖特基二极管(如1N5819),可以在输入短路时为C_{OUT}$提供一个低阻抗的放电路径,保护LM317。这个二极管的阴极接VIN,阳极接VOUT。
反向保护二极管 D2 (ADJ到VOUT): 当输出短路或负载为容性负载时,如果输出电压迅速下降,可能会导致ADJ引脚的电压高于VOUT引脚的电压,从而损坏ADJ引脚。通过在ADJ和VOUT之间反向并联一个肖特基二极管,可以防止这种情况发生。这个二极管的阴极接ADJ,阳极接VOUT。
5.4 最小负载电流
LM317需要一定的最小负载电流才能保持良好的稳压性能。根据不同的制造商和型号,这个最小负载电流通常在3.5mA到10mA之间。如果负载电流低于这个阈值,LM317可能无法稳定输出电压。在设计低功耗应用时,如果预计负载电流会很小,可以在输出端并联一个适当的泄放电阻来满足最小负载电流要求。
5.5 纹波抑制
LM317本身具有良好的纹波抑制能力(Power Supply Rejection Ratio, PSRR),但为了获得更纯净的输出,仍然可以通过以下方法优化:
增大输入电容: 较大的输入滤波电容可以有效降低输入端的交流纹波。
添加RC滤波: 在输入端或调节引脚处添加RC滤波器,可以进一步降低高频噪声。
旁路电容: 前述的输入和输出旁路电容对纹波抑制也有帮助。
调节引脚旁路电容 (CADJ): 在调节引脚和地之间并联一个10μF到20μF的电解电容,可以显著提高LM317的纹波抑制能力,特别是在高频下。这个电容会降低AC信号在ADJ引脚上的变化,使其更接近直流,从而提高稳压效果。
5.6 布局布线技巧
良好的PCB布局布线对于LM317的性能和稳定性至关重要:
短而粗的走线: 输入和输出电流路径应尽可能短且宽,以减少寄生电阻和电感,降低电压降和噪声。
靠近器件: 输入和输出旁路电容应尽可能靠近LM317的相应引脚放置,以最大限度地发挥其滤波作用。
地线布局: 采用星形接地或大面积地平面,以减少地线阻抗和共模噪声,提高稳定性。
避免环路: 尽量减少电流环路面积,以降低电磁干扰(EMI)。
热点管理: 对于需要散热片的LM317,确保散热片区域有足够的空间和气流,并考虑将大面积铜箔连接到地引脚以帮助散热。
5.7 初始通电与输出电压尖峰
在某些情况下,当LM317初次通电时,由于内部电路启动和电容充电的顺序问题,输出电压可能会出现短暂的尖峰。如果电路对这种尖峰敏感,可以考虑在输出端串联一个软启动电路,或者通过其他方式控制上电顺序。
5.8 高压应用中的浮动操作
LM317的另一个特点是它可以实现“浮动操作”,这意味着它的地参考点不一定需要连接到系统公共地。在某些高压应用中,LM317可以用来稳压相对于一个高电位点的电压。例如,它可以用来为高压侧的MOSFET栅极驱动器提供偏置电压。在这种情况下,LM317的ADJ引脚所连接的“地”将是相对于其VOUT引脚的一个参考点,而不是系统真正的公共地。这种浮动操作允许LM317在不损坏自身的情况下处理高达40V的输入-输出压差。
LM317与其他稳压器的比较
在电源设计中,有多种稳压器可供选择,LM317作为线性稳压器的代表,与固定稳压器(如78xx系列)和开关稳压器各有利弊。
6.1 LM317 vs 78xx系列固定稳压器
可调性: LM317最大的优势在于其输出电压可调。78xx系列(如7805、7812)提供固定输出电压,每种电压都需要不同的型号,库存和设计灵活性较差。
通用性: LM317的通用性更强,一个型号可以替代多种固定电压的稳压器。
元件数量: 在基本稳压电路中,LM317和78xx都需要少数几个外部电容。LM317额外需要两个电阻来设定输出电压,而78xx只需要将一个引脚接地。
精度: LM317的输出电压精度通常更高,因为它基于1.25V的精确基准电压。
保护功能: 两者都内置了过流和过热保护。
压差: LM317的最小压差与78xx系列相似,并非低压差(LDO)器件。
总结: 对于需要灵活调节输出电压的应用,LM317是更优的选择;对于简单、固定电压且对成本和空间要求极致的应用,78xx可能更具优势。
6.2 LM317 vs 开关稳压器(如DC-DC转换器)
效率: 开关稳压器在效率方面远超线性稳压器。 开关稳压器通过周期性地开启和关闭开关元件来传输能量,损耗主要来源于开关损耗和元件的导通电阻,效率可以达到80%到95%甚至更高。而LM317作为线性稳压器,其效率随输入输出电压差的增大而显著降低,在高压差大电流时,效率可能只有30%到60%。
热量产生: 由于效率低,LM317在转换过程中会产生大量热量,通常需要较大的散热片。开关稳压器产生的热量相对较少,对散热要求较低。
复杂性: LM317电路非常简单,只需要两个外部电阻和几个电容。开关稳压器通常需要电感、肖特基二极管、更多的电容和复杂的控制芯片,电路设计相对复杂。
成本: 在低功率应用中,LM317的成本通常低于开关稳压器。但在高功率应用中,考虑到散热片的成本,开关稳压器的整体成本可能更低。
噪声: LM317作为线性稳压器,输出噪声和纹波非常低,对敏感电路非常友好。开关稳压器由于其开关特性,会产生较高的开关噪声和纹波,可能需要额外的滤波电路来降低。
瞬态响应: 线性稳压器的瞬态响应通常优于开关稳压器,因为它们是连续工作的。
尺寸: 开关稳压器中的电感通常体积较大,可能导致整体解决方案的尺寸大于LM317。然而,随着集成技术的发展,一些高度集成的开关稳压器模块体积也在不断缩小。
总结: 当对效率、散热和电池寿命有严格要求时(例如便携式设备),或在输入电压与输出电压压差较大的场合,开关稳压器是更好的选择。而对于对噪声、成本、电路简单性有较高要求,且功耗可以接受的应用,LM317仍然是理想的方案。
LM317的故障诊断与排除
在使用LM317的过程中,可能会遇到一些问题。了解常见的故障现象及其原因,有助于快速定位并解决问题。
7.1 无输出电压或输出电压过低
输入电压不足: 检查LM317的VIN引脚是否有足够的输入电压。输入电压必须至少比期望的输出电压高出最小压差(通常1.5V-3V)。
负载过重或短路: 检查负载是否正常,是否存在短路现象,或者负载电流是否超过了LM317的最大输出电流能力(1.5A)。
热过载保护触发: 如果LM317过热,它会自动关断或降低输出。检查散热是否充分,功耗是否过大。
调节引脚ADJ接线错误或断开: LM317的ADJ引脚是其核心控制端,如果接线错误(例如R2断路)或未正确连接,将无法实现稳压。
R1或R2电阻值错误或损坏: 错误的电阻值会导致输出电压不正确。检查电阻的阻值是否符合设计要求。
LM317损坏: 如果以上检查均无问题,LM317本身可能已损坏。
7.2 输出电压不稳定或纹波过大
输入纹波过大: 检查输入电源的纹波是否过高。可以增加输入滤波电容的容量,或者在输入端添加RC或LC滤波器。
输出电容容量不足或ESR过高: 增大输出旁路电容的容量,或使用低ESR的电容来改善瞬态响应和降低纹波。
ADJ引脚旁路电容缺失或容量不足: 在ADJ引脚和地之间添加或增大旁路电容(如10μF-20μF),可以显著提高纹波抑制能力。
最小负载电流未满足: 如果负载电流太小,LM317可能无法稳定工作。确保负载电流大于LM317所需的最小负载电流。
接地不良或布线不当: 杂乱的布线和不当的接地会导致噪声耦合和地线阻抗,影响稳压效果。优化PCB布局,使用星形接地或大面积地平面。
输入/输出端有高频振荡: 有时在特定负载或布局下,LM317可能发生高频振荡。尝试在输入和输出端增加小容量的陶瓷电容(如0.1μF),或在输入端串联小电感来抑制振荡。
7.3 LM317发热严重
输入输出压差过大: 这是导致LM317发热的主要原因。如果输入电压远高于输出电压,且输出电流较大,LM317的功耗会很高。考虑使用降压预稳压器,或者在允许的情况下降低输入电压。
负载电流过大: 负载电流越大,发热越严重。检查负载电流是否在LM317的额定范围内。
散热片不足或安装不当: 确保散热片的尺寸足够,并与LM317的金属背板紧密接触,必要时涂抹导热硅脂。
环境温度过高: 如果环境温度本身就很高,LM317更容易过热。
7.4 输出电压与计算值不符
电阻R1和R2的精度问题: 使用高精度的电阻可以确保输出电压的准确性。普通碳膜电阻的误差可能较大。
调节引脚电流(IADJ)的影响: 尽管$I_{ADJ}$很小,但在$R_2$值非常大的情况下,IADJ×R2 这一项的影响就不可忽略。如果设计需要高精度,应将这一项考虑进公式中。
电阻连接不良或开路: 检查R1和R2是否正确焊接,是否存在虚焊或开路。
万用表测量误差: 确保测量电压的万用表准确校准。
7.5 瞬态响应差
输出电容容量不足或ESR过高: 瞬态响应差通常表现为负载突变时输出电压的大幅波动。增加输出电容的容量,并选择低ESR的电容,可以显著改善瞬态响应。
线路阻抗: 输入和输出走线过长或过细会导致较大的寄生阻抗,影响瞬态响应。
通过系统地检查上述各项,通常可以找到LM317电路问题的根源。在排除故障时,始终从最简单的可能性开始,并逐步深入。
LM317进阶应用与技巧
除了基本的稳压和恒流应用,LM317还可以进行一些进阶设计,以满足更复杂的功能需求。
8.1 软启动电路
在某些应用中,电源突然启动可能会对敏感负载或系统造成冲击。LM317可以通过外部电路实现软启动功能,使输出电压在一定时间内缓慢上升到设定值。
实现方式: 在ADJ引脚上并联一个电容,通过一个开关(或晶体管)控制其充电过程。当电路通电时,电容缓慢充电,使得ADJ引脚电压逐渐升高,从而控制LM317的输出电压缓慢上升。
8.2 精确电流限制器
LM317内置了电流限制功能,但在某些情况下,我们可能需要一个更精确或可调节的外部电流限制。
实现方式: 通过在输出端串联一个低阻值电流检测电阻,并利用额外的比较器或晶体管来检测电阻两端的压降,一旦达到设定值就触发保护机制,关闭或限制LM317的输出。这通常需要额外的复杂电路。
8.3 高电流输出解决方案
LM317自身最大输出电流为1.5A。如果需要更大的电流,可以采取以下方案:
并联使用: 理论上可以通过并联多个LM317来增加电流能力,但实际操作中需要注意电流分配问题,通常需要在每个LM317的输出端串联一个小阻值(如0.1Ω)的均流电阻。
外扩晶体管: 使用一个大功率外部晶体管(如NPN或PNP晶体管、MOSFET)作为串联调整管,由LM317来驱动这个晶体管。LM317此时作为误差放大器和基准源,提供基极或栅极驱动电流,而大部分负载电流流经外部晶体管。这种方法可以显著提高输出电流能力。
8.4 0V输出电压调节
LM317的最低输出电压是1.25V。如果需要从0V开始调节输出电压,可以采用以下两种常见方法:
负偏置法: 在ADJ引脚下方(连接R2到地的节点)提供一个负电压偏置,使得当R2为0时,ADJ引脚相对于LM317内部基准电压仍能保持在1.25V以下,从而强制输出接近0V。这需要一个额外的负电源。
Booststrap法: 通过使用一个额外的NPN晶体管和一些电阻电容,实现输出电压的起始点下移到0V。这种方法不需要负电源,但电路会稍微复杂一些。
8.5 改善纹波抑制的进阶方法
除了前述的ADJ引脚旁路电容,还可以使用更复杂的滤波网络来进一步降低输出纹波,例如使用CLC(电容-电感-电容)或RC(电阻-电容)滤波,特别是在对电源纯净度要求极高的音频或射频应用中。
8.6 远程感应(Remote Sense)
在某些高电流或长距离传输的场合,由于导线电阻的存在,负载端的实际电压可能会低于LM317输出端的电压。LM317本身没有远程感应功能,但可以通过外部放大器和反馈回路实现类似的功能,将负载端的实际电压反馈给LM317,从而补偿线路损耗,确保负载端电压的准确性。这种方法通常会增加电路的复杂性。
8.7 LM317作为开关预稳压器
虽然LM317是线性稳压器,但它可以与开关稳压器结合使用。例如,当输入电压非常高而输出电压很低时,如果直接用LM317,功耗会非常大。可以先用一个降压开关稳压器(Buck Converter)将高输入电压降到一个相对较低但仍高于所需输出电压的水平,然后再用LM317进行精细稳压。这样可以显著提高整体效率,同时保持线性稳压器低噪声的优点。
总结与展望
LM317作为一款经典的、可调正电压线性稳压器,以其简单易用、稳定可靠和内置多重保护功能的特点,在电子设计领域经久不衰。它能够提供宽泛的输出电压范围和足够的电流能力,使其成为各种电源、充电器、LED驱动等应用的首选。
尽管在效率方面不及现代开关稳压器,特别是在高压差大电流的场合,LM317仍然凭借其极低的输出噪声、优秀的瞬态响应和简单的外围电路而在许多对电源质量有高要求的应用中占据一席之地。对于初学者而言,LM317也是学习电源管理和稳压器原理的绝佳器件。
随着半导体技术的发展,市场上出现了更多高性能的线性稳压器,例如低压差(LDO)稳压器,它们在低压差、高效率和更小封装方面有显著优势。然而,这些新型器件并不能完全取代LM317。在许多对成本敏感、电路简单性有要求,或者输入输出压差相对较小的应用中,LM317依然是极具性价比和实用性的选择。
未来,LM317及其类似器件仍将在电子世界中扮演重要角色。理解其工作原理、设计考量和应用技巧,对于任何电子工程师或爱好者来说,都是一项宝贵的技能。希望本手册能为您深入了解和有效利用LM317提供全面的指导和帮助。
参考文献与进一步阅读
LM317系列稳压器数据手册 (Texas Instruments, STMicroelectronics, ON Semiconductor等主要制造商)
线性稳压器应用笔记 (各种制造商提供的设计指南和应用范例)
电源设计相关教材和在线资源
思考与实践
尝试设计一个可调输出电压的实验室电源,使用LM317作为核心元件,并考虑如何优化散热。
研究如何使用LM317驱动不同数量的LED串联,并计算合适的限流电阻。
探索LM317结合外部晶体管以实现更大电流输出的电路设计。
比较LM317和LDO稳压器在不同应用场景下的优缺点,以便在未来的设计中做出更合理的选择。
通过理论学习与动手实践相结合,您将能够更深入地掌握LM317的精髓,并在实际项目中灵活运用。
责任编辑:David
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