LM317 可調(diào)穩(wěn)壓器規(guī)格書與應(yīng)用指南

　　LM317 是一款應(yīng)用極為廣泛的可調(diào)三端正壓穩(wěn)壓器，自問(wèn)世以來(lái)，憑借其卓越的性能、易用性和高可靠性，在各種電子電路中占據(jù)了不可替代的地位。本規(guī)格書旨在全面、深入地介紹 LM317 的特性、工作原理、參數(shù)、典型應(yīng)用電路以及設(shè)計(jì)考量，以期為工程師和愛(ài)好者提供一份詳盡的參考指南。

　　1. 概述與簡(jiǎn)介

　　LM317 是國(guó)家半導(dǎo)體（National Semiconductor，現(xiàn)已被德州儀器 TI 收購(gòu)）于 20 世紀(jì) 70 年代初推出的一款開創(chuàng)性的可調(diào)三端正壓穩(wěn)壓器。它的出現(xiàn)極大地簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，使得工程師能夠方便地構(gòu)建各種電壓輸出的穩(wěn)壓電源。在此之前，設(shè)計(jì)可調(diào)電源通常需要復(fù)雜的離散元件組合，或者使用較為昂貴和復(fù)雜的集成穩(wěn)壓器。LM317 的核心優(yōu)勢(shì)在于其內(nèi)部集成的基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器以及功率晶體管，使其在僅需要兩個(gè)外部電阻的情況下即可實(shí)現(xiàn) 1.25V 至 37V 的寬范圍輸出電壓調(diào)節(jié)，并提供高達(dá) 1.5A 的輸出電流能力。

　　LM317 的封裝形式多樣，最常見的是 TO-220 封裝，這種封裝散熱良好，適合中等功率應(yīng)用。此外，還有 TO-3、SOT-223、TO-263 等多種封裝，以適應(yīng)不同的功率和空間需求。其內(nèi)部包含過(guò)熱保護(hù)和短路電流限制電路，進(jìn)一步增強(qiáng)了器件的魯棒性和可靠性，使其能夠承受異常工作條件下的應(yīng)力。由于其卓越的通用性和成本效益，LM317 被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室電源、汽車電子、工業(yè)控制、消費(fèi)電子以及各種電池充電器等領(lǐng)域。理解 LM317 的基本原理和應(yīng)用技巧，對(duì)于任何從事電子設(shè)計(jì)的人員來(lái)說(shuō)，都是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)技能。

　　2. 主要特性與優(yōu)勢(shì)

　　LM317 的成功并非偶然，其一系列獨(dú)特而實(shí)用的特性使其在眾多穩(wěn)壓器中脫穎而出。深入理解這些特性對(duì)于充分發(fā)揮 LM317 的潛力至關(guān)重要。

　　2.1. 可調(diào)輸出電壓范圍

　　LM317 最顯著的特點(diǎn)是其寬廣的可調(diào)輸出電壓范圍。通過(guò)簡(jiǎn)單地改變兩個(gè)外部電阻的比例，輸出電壓可以在 1.25V 到 37V 之間任意設(shè)定。這個(gè)范圍涵蓋了絕大多數(shù)低壓和中壓應(yīng)用的需求，從微控制器供電的 3.3V/5V，到需要較高電壓的模擬電路或電機(jī)驅(qū)動(dòng)，LM317 都能勝任。這種靈活性使得它成為通用電源設(shè)計(jì)的理想選擇，無(wú)需為每種特定的電壓需求都設(shè)計(jì)獨(dú)立的穩(wěn)壓電路。

　　2.2. 高輸出電流能力

　　標(biāo)準(zhǔn) LM317 提供高達(dá) 1.5A 的輸出電流能力。對(duì)于許多中小型電子設(shè)備而言，這個(gè)電流足以滿足其功耗需求。例如，為小型嵌入式系統(tǒng)、傳感器節(jié)點(diǎn)、LED 照明驅(qū)動(dòng)或音頻前置放大器供電，1.5A 的電流裕量通常是足夠的。對(duì)于需要更高電流的應(yīng)用，可以通過(guò)并聯(lián)多個(gè) LM317 或使用外部功率晶體管進(jìn)行電流擴(kuò)展，但通常情況下，單個(gè) LM317 已能滿足大部分需求。

　　2.3. 卓越的線路調(diào)整率

　　線路調(diào)整率（Line Regulation）衡量的是輸出電壓在輸入電壓變化時(shí)的穩(wěn)定性。LM317 具有非常出色的線路調(diào)整率，這意味著即使輸入電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，輸出電壓也能保持非常穩(wěn)定。典型的線路調(diào)整率為 0.01%/V，這對(duì)于那些輸入電源可能不穩(wěn)定的應(yīng)用（如電池供電系統(tǒng)或使用未經(jīng)穩(wěn)壓的變壓器輸出）來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，它能確保下游電路的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　2.4. 優(yōu)異的負(fù)載調(diào)整率

　　負(fù)載調(diào)整率（Load Regulation）衡量的是輸出電壓在負(fù)載電流變化時(shí)的穩(wěn)定性。LM317 的負(fù)載調(diào)整率同樣優(yōu)秀，通常在 0.1% 的水平。這意味著當(dāng)負(fù)載電流從最小變化到最大時(shí)，輸出電壓的變化非常小。這對(duì)于動(dòng)態(tài)負(fù)載的應(yīng)用（如 CPU 或 DSP 供電，其電流需求會(huì)隨處理任務(wù)動(dòng)態(tài)變化）是至關(guān)重要的，它保證了在各種工作條件下，為負(fù)載提供恒定的電壓。

　　2.5. 內(nèi)置保護(hù)功能

　　為了提高器件的可靠性和魯棒性，LM317 內(nèi)部集成了多種保護(hù)電路。

　　過(guò)熱保護(hù)（Thermal Overload Protection）： 當(dāng)芯片內(nèi)部溫度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值（通常在 175°C 左右）時(shí)，過(guò)熱保護(hù)電路會(huì)自動(dòng)降低輸出電流，甚至關(guān)斷輸出，以防止器件因過(guò)熱而損壞。這在散熱不良或瞬態(tài)過(guò)載情況下尤為重要。

　　短路電流限制（Short-Circuit Current Limit）： 當(dāng)輸出端意外短路時(shí)，內(nèi)部短路電流限制電路會(huì)限制流經(jīng)器件的電流，防止器件損壞。這對(duì)于在電路調(diào)試或?qū)嶋H應(yīng)用中可能發(fā)生的意外短路情況提供了重要的保護(hù)。

　　這些內(nèi)置保護(hù)功能大大降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，并提高了最終產(chǎn)品的可靠性。

　　2.6. 標(biāo)準(zhǔn)三端封裝

　　LM317 采用標(biāo)準(zhǔn)的 TO-220、TO-3、SOT-223 等三端封裝，引腳定義清晰，易于安裝和布局。TO-220 封裝是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的通孔封裝，可以方便地與散熱片配合使用，以應(yīng)對(duì)大電流應(yīng)用時(shí)的散熱需求。這種標(biāo)準(zhǔn)化使得 LM317 能夠快速集成到各種 PCB 設(shè)計(jì)中。

　　2.7. 浮動(dòng)操作

　　LM317 是一種浮動(dòng)穩(wěn)壓器，這意味著它不直接參考地線，而是參考其輸出端。這種特性使得 LM317 可以應(yīng)用于各種配置，包括高電壓應(yīng)用中的浮動(dòng)穩(wěn)壓器，以及某些電流源應(yīng)用。它提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性。

　　3. 工作原理

　　理解 LM317 的內(nèi)部工作原理是正確應(yīng)用和優(yōu)化其性能的基礎(chǔ)。LM317 的核心是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，旨在維持其輸出電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓之間的恒定關(guān)系。

　　3.1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

　　LM317 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)包含以下主要模塊的框圖：

　　基準(zhǔn)電壓源（Voltage Reference）： 這是一個(gè)高精度、溫度穩(wěn)定的電壓源，通常產(chǎn)生一個(gè) 1.25V 的基準(zhǔn)電壓 V_REF。這個(gè)電壓是整個(gè)穩(wěn)壓器工作的基石。

　　誤差放大器（Error Amplifier）： 這是一個(gè)高增益的差分放大器，其一個(gè)輸入端連接到基準(zhǔn)電壓源，另一個(gè)輸入端連接到輸出電壓的分壓點(diǎn)（通過(guò)外部電阻實(shí)現(xiàn)）。誤差放大器比較這兩個(gè)電壓，并產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)。

　　串聯(lián)調(diào)整管（Series Pass Transistor）： 通常是一個(gè) NPN 功率晶體管（或達(dá)林頓對(duì)），它串聯(lián)在輸入和輸出之間。誤差放大器的輸出會(huì)控制這個(gè)晶體管的基極（或柵極），從而調(diào)節(jié)其集電極-發(fā)射極之間的壓降，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓。

　　保護(hù)電路（Protection Circuits）： 包括過(guò)熱保護(hù)和短路電流限制電路，用于在異常工作條件下保護(hù)器件。

　　3.2. 穩(wěn)壓原理

　　LM317 的穩(wěn)壓原理基于負(fù)反饋機(jī)制。其內(nèi)部誤差放大器會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)輸出電壓，并將其與內(nèi)部精確的 1.25V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。具體來(lái)說(shuō)，輸出電壓通過(guò)兩個(gè)外部電阻 R_1 和 R_2 進(jìn)行分壓，分壓后的電壓反饋到誤差放大器的一個(gè)輸入端（通常是 ADJUST 端）。誤差放大器的另一個(gè)輸入端連接到內(nèi)部的 1.25V 基準(zhǔn)電壓。

　　當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)（例如，由于輸入電壓波動(dòng)或負(fù)載電流變化），經(jīng)過(guò)分壓后的反饋電壓也會(huì)隨之變化。誤差放大器檢測(cè)到這個(gè)變化后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與誤差成比例的控制信號(hào)。這個(gè)控制信號(hào)隨后驅(qū)動(dòng)串聯(lián)調(diào)整管，調(diào)整其導(dǎo)通程度。

　　如果輸出電壓偏高，反饋電壓也會(huì)偏高，誤差放大器會(huì)減小對(duì)串聯(lián)調(diào)整管的驅(qū)動(dòng)，使其導(dǎo)通程度降低，從而增加其壓降，進(jìn)而降低輸出電壓，使其回到設(shè)定值。

　　如果輸出電壓偏低，反饋電壓也會(huì)偏低，誤差放大器會(huì)增加對(duì)串聯(lián)調(diào)整管的驅(qū)動(dòng)，使其導(dǎo)通程度增加，從而減小其壓降，進(jìn)而提高輸出電壓，使其回到設(shè)定值。

　　通過(guò)這種實(shí)時(shí)的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，LM317 能夠?qū)⑤敵鲭妷壕_地穩(wěn)定在由 R_1 和 R_2 設(shè)定的目標(biāo)值上。

　　3.3. 輸出電壓計(jì)算公式

　　LM317 的輸出電壓 V_OUT 由以下公式?jīng)Q定：

　　V_OUT=V_REFtimes(1+fracR_2R_1)+I_ADJtimesR_2

　　其中：

　　V_REF 是 LM317 內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓，典型值為 1.25V。

　　R_1 和 R_2 是外部設(shè)置輸出電壓的分壓電阻。R_1 連接在 ADJUST 端和輸出端之間，R_2 連接在 ADJUST 端和地之間。

　　I_ADJ 是流經(jīng) ADJUST 引腳的靜態(tài)電流，通常為 50μA 至 100μA。在大多數(shù)應(yīng)用中，I_ADJtimesR_2 這一項(xiàng)相對(duì)于 V_REFtimes(1+fracR_2R_1) 而言非常小，因此在工程計(jì)算中常常被忽略。

　　因此，簡(jiǎn)化后的輸出電壓計(jì)算公式為：

　　V_OUTapproxV_REFtimes(1+fracR_2R_1)

　　為了保證穩(wěn)壓器的穩(wěn)定工作和最小輸出電壓為 1.25V，R_1 的選擇通常在 120Ω 到 240Ω 之間。當(dāng) R_2 為 0 時(shí)，輸出電壓為 1.25V。

　　4. 電氣特性參數(shù)

　　LM317 的電氣特性參數(shù)是評(píng)估其性能和進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵依據(jù)。以下列舉了一些重要的參數(shù)及其典型值和意義。

　　4.1. 輸出電壓范圍

　　V_OUT (Min): 1.25V (ADJUST 和 OUTPUT 之間壓差)

　　V_OUT (Max): 37V

　　這個(gè)范圍代表了 LM317 能夠提供的最小和最大可調(diào)輸出電壓。

　　4.2. 輸入-輸出電壓差

　　壓差（Dropout Voltage）： LM317 能夠正常工作的最小輸入-輸出電壓差。典型值約為 2V 至 3V。

　　例如，如果要輸出 5V，輸入電壓至少需要 5V + 2V = 7V。

　　壓差越小，穩(wěn)壓器在低輸入電壓下的工作能力越強(qiáng)，效率也越高（尤其是在電池供電應(yīng)用中）。LM317 屬于非低壓差（Non-LDO）穩(wěn)壓器，其壓差相對(duì)較高。

　　4.3. 輸出電流

　　I_OUT (Max): 1.5A

　　這是 LM317 在正常散熱條件下能夠提供的最大連續(xù)輸出電流。需要注意的是，實(shí)際可提供的電流會(huì)受到封裝類型、環(huán)境溫度和散熱條件的影響。在電流較大時(shí)，必須配備足夠的散熱片以防止過(guò)熱。

　　4.4. 線路調(diào)整率

　　Line Regulation (Typical): 0.01%/V

　　Line Regulation (Max): 0.04%/V (對(duì)于 1.5A 版本)

　　表示輸入電壓每變化 1V，輸出電壓的變化百分比。數(shù)值越小，表示穩(wěn)壓器對(duì)輸入電壓波動(dòng)的抑制能力越強(qiáng)。

　　4.5. 負(fù)載調(diào)整率

　　Load Regulation (Typical): 0.1%

　　Load Regulation (Max): 0.3% (對(duì)于 1.5A 版本)

　　表示負(fù)載電流從最小到最大變化時(shí)，輸出電壓的變化百分比。數(shù)值越小，表示穩(wěn)壓器對(duì)負(fù)載電流變化的抑制能力越強(qiáng)。

　　4.6. 靜態(tài)電流（Quiescent Current）

　　I_Q (Typical): 5mA

　　I_Q (Max): 10mA

　　這是 LM317 在空載時(shí)流經(jīng)器件的電流，即自身消耗的電流。在電池供電或低功耗應(yīng)用中，需要關(guān)注這個(gè)參數(shù)。

　　4.7. ADJUST 引腳電流

　　I_ADJ (Typical): 50μA

　　I_ADJ (Max): 100μA

　　流經(jīng) ADJUST 引腳的電流。雖然通常很小，但在高精度應(yīng)用中，特別是在 R_2 阻值非常大的情況下，需要將其考慮進(jìn)輸出電壓的計(jì)算。

　　4.8. 紋波抑制比（Ripple Rejection）

　　Ripple Rejection (Typical): 80dB

　　衡量穩(wěn)壓器抑制輸入端交流紋波的能力。80dB 的紋波抑制比意味著輸入端的交流紋波電壓被衰減了 1080/20=104=10000 倍。這對(duì)于需要低噪聲電源的敏感電路非常重要。

　　4.9. 溫度范圍

　　工作結(jié)溫范圍： -40°C 至 +125°C

　　這是器件能夠安全工作的內(nèi)部芯片結(jié)溫范圍。在實(shí)際應(yīng)用中，必須確保結(jié)溫在此范圍內(nèi)，通常通過(guò)散熱設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　5. 典型應(yīng)用電路

　　LM317 的靈活性使其能夠應(yīng)用于多種電源配置。以下是一些最常見的典型應(yīng)用電路。

　　5.1. 基本可調(diào)穩(wěn)壓器電路

　　這是 LM317 最常見也是最基本的應(yīng)用。它只需要兩個(gè)外部電阻 R_1 和 R_2 即可設(shè)定輸出電壓。

　　5.1.1. 電路圖

　　VIN ------+          |          |         LM317         VIN (Pin 3)          |         VOUT (Pin 2) -----+---- VOUT (regulated output)          |                |          |                R2          |                |         ADJ (Pin 1) ------+          |                |          R1               |          |                GND          |         GND

　　5.1.2. 元件選擇與計(jì)算

　　輸入電容 C_IN： 通常為 0.1μF 至 1μF 的陶瓷電容或電解電容。放置在 LM317 的 VIN 引腳附近，用于濾除輸入端的瞬態(tài)噪聲和紋波，提高穩(wěn)壓器穩(wěn)定性。如果輸入電源距離 LM317 較遠(yuǎn)（超過(guò) 15cm），建議使用更大的電解電容（如 10μF 或 100μF）與小陶瓷電容并聯(lián)。

　　輸出電容 C_OUT： 通常為 1μF 至 10μF 的鉭電容或鋁電解電容。放置在 LM317 的 VOUT 引腳附近，用于改善瞬態(tài)響應(yīng)、降低輸出紋波，并確保穩(wěn)壓器在負(fù)載變化時(shí)保持穩(wěn)定。如果負(fù)載電流變化較大，可能需要更大的輸出電容。ESR (等效串聯(lián)電阻) 較低的電容通常對(duì)穩(wěn)定性更有利。

　　R_1： 通常選擇 120Ω 到 240Ω 之間。一個(gè)常見的選擇是 240Ω。這個(gè)電阻決定了流過(guò) ADJUST 引腳的最小電流，對(duì)于維持穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

　　R_2： 根據(jù)所需的輸出電壓和 R_1 的值計(jì)算。

　　R_2=R_1times(fracV_OUT1.25V?1)

　　例如，如果 R_1=240Ω，要得到 5V 輸出： R_2=240Ωtimes(frac5V1.25V?1)=240Ωtimes(4?1)=240Ωtimes3=720Ω

　　5.1.3. 設(shè)計(jì)考量

　　最小負(fù)載電流： LM317 需要一個(gè)最小負(fù)載電流（通常為 3.5mA 到 10mA）才能正常穩(wěn)壓。如果負(fù)載電流可能低于此值，可以通過(guò)在輸出端并聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)提供最小負(fù)載，例如 R_MINLOAD=fracV_OUTI_MIN。然而，由于 R_1 本身就提供了一個(gè)最小電流路徑，通常不需要額外的最小負(fù)載電阻，除非 R_1 的選擇導(dǎo)致電流過(guò)小。流過(guò) R_1 和 R_2 的電流為 I_Q+V_REF/R_1。

　　旁路電容： 為了提高紋波抑制和防止自激振蕩，在 ADJ 引腳和地之間放置一個(gè) 10μF 的電容 C_ADJ (可選，但推薦)。這個(gè)電容可以顯著提高紋波抑制比，尤其是在高頻時(shí)，并且有助于改善瞬態(tài)響應(yīng)。

　　5.2. LM317 作為恒流源

　　LM317 不僅可以作為穩(wěn)壓器，還可以通過(guò)其內(nèi)部 1.25V 基準(zhǔn)電壓的特性，方便地構(gòu)建恒流源。

　　5.2.1. 電路圖

　　VIN ------+          |          |         LM317         VIN (Pin 3)          |         VOUT (Pin 2) -----+---- Load (e.g., LED string)          |                |          |                R_SENSE (Current Sense Resistor)          |                |         ADJ (Pin 1) ------+          |         GND

　　5.2.2. 工作原理與計(jì)算

　　在這種配置中，LM317 會(huì)嘗試保持其 ADJUST 引腳和 VOUT 引腳之間的電壓差為 1.25V（即內(nèi)部基準(zhǔn)電壓）。因此，流過(guò)串聯(lián)電阻 R_SENSE 的電流將是：

　　I_OUT=fracV_REFR_SENSE+I_ADJ

　　同樣地，由于 I_ADJ 較小，可以近似為：

　　I_OUTapproxfrac1.25VR_SENSE

　　通過(guò)選擇合適的 R_SENSE 值，可以設(shè)定輸出的恒定電流。這種電路常用于驅(qū)動(dòng) LED 串，確保 LED 在不同電源電壓下亮度一致，并保護(hù) LED 不受過(guò)電流損害。

　　5.2.3. 設(shè)計(jì)考量

　　最小壓降： LM317 在恒流模式下也需要保持一個(gè)最小的輸入-輸出壓差（通常在 2V 到 3V 之間），以確保正常工作。因此，電源電壓 V_IN 必須高于負(fù)載兩端電壓之和加上 LM317 的最小壓差。

　　R_SENSE 的功率： R_SENSE 上會(huì)產(chǎn)生功率損耗 P=I_OUT2timesR_SENSE。在選擇電阻時(shí)，需要確保其額定功率足夠。

　　LM317 的功率耗散： LM317 本身的功率耗散為 P_LM317=(V_IN?V_OUT)timesI_OUT。這里的 V_OUT 是指 LM317 VOUT 引腳的電壓，即負(fù)載電壓加上 R_SENSE 上的壓降。同樣需要注意散熱。

　　5.3. 帶有過(guò)載指示的電源

　　通過(guò)一些額外的元件，可以為 LM317 電源增加過(guò)載指示功能，提高電源的實(shí)用性。

　　5.3.1. 電路原理

　　利用一個(gè)電流檢測(cè)電阻和一個(gè)比較器（或運(yùn)放），監(jiān)測(cè)輸出電流。當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，點(diǎn)亮一個(gè) LED 進(jìn)行指示。

　　5.4. 高電流可調(diào)電源（帶外部功率晶體管）

　　當(dāng)需要輸出電流超過(guò) 1.5A 時(shí)，可以使用 LM317 結(jié)合外部功率晶體管（通常是 PNP 晶體管或達(dá)林頓管）來(lái)擴(kuò)展電流能力。

　　5.4.1. 電路原理

　　LM317 作為預(yù)穩(wěn)壓和基準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)外部功率晶體管。功率晶體管承載大部分的負(fù)載電流。

　　5.4.2. 設(shè)計(jì)考量

　　功率晶體管的選擇： 需要選擇具有足夠集電極電流 (I_C)、集電極-發(fā)射極擊穿電壓 (V_CEO) 和功率耗散 (P_D) 的功率晶體管。

　　散熱： 外部功率晶體管將耗散大部分的功率，因此需要對(duì)其進(jìn)行充分的散熱設(shè)計(jì)。

　　反饋回路： 確保反饋回路仍然作用在 LM317 的 ADJUST 端，以保持穩(wěn)壓器的精確控制。

　　6. 設(shè)計(jì)考量與注意事項(xiàng)

　　成功地將 LM317 應(yīng)用于實(shí)際電路中，需要考慮除了基本接線之外的諸多因素。

　　6.1. 散熱

　　散熱是 LM317 應(yīng)用中最關(guān)鍵的考量之一，尤其是在大電流或高輸入-輸出壓差的應(yīng)用中。LM317 內(nèi)部的功率耗散 P_D 由以下公式計(jì)算：

　　P_D=(V_IN?V_OUT)timesI_OUT

　　這些功率以熱量的形式散發(fā)出去，如果不能有效散熱，芯片結(jié)溫會(huì)迅速升高，達(dá)到過(guò)熱保護(hù)閾值，導(dǎo)致輸出電流減小甚至關(guān)斷。

　　TO-220 封裝： TO-220 封裝的 LM317 的典型熱阻（結(jié)到環(huán)境）在無(wú)散熱片時(shí)約為 50-60°C/W。這意味著每耗散 1W 功率，結(jié)溫將升高 50-60°C。在實(shí)際應(yīng)用中，如果功耗超過(guò) 1W-2W，通常就需要搭配散熱片。

　　散熱片選擇： 散熱片的尺寸和類型取決于預(yù)計(jì)的功耗和環(huán)境溫度。可以通過(guò)計(jì)算所需的散熱片熱阻來(lái)選擇合適的散熱片： R_SA=fracT_J_MAX?T_A_MAXP_D?R_JC?R_CS 其中：

　　T_J_MAX 是芯片最大允許結(jié)溫（通常 125°C）。

　　T_A_MAX 是最高環(huán)境溫度。

　　R_JC 是結(jié)到殼的熱阻（由數(shù)據(jù)手冊(cè)提供，TO-220 典型值約 3-5°C/W）。

　　R_CS 是殼到散熱片的熱阻（取決于接觸面處理，通常 0.1-1°C/W，使用導(dǎo)熱硅脂可降低）。

　　導(dǎo)熱硅脂/絕緣墊片： 為了提高散熱效率，通常在 LM317 的金屬背板和散熱片之間涂抹導(dǎo)熱硅脂。如果 LM317 需要與散熱片絕緣（例如散熱片接地而 LM317 的背板與 VOUT 相連），則需要使用絕緣墊片（如硅膠墊片或云母片）。

　　6.2. 電容選擇與放置

　　正確的電容選擇和布局對(duì)于 LM317 的穩(wěn)定工作至關(guān)重要。

　　輸入旁路電容 (C_IN): 靠近 LM317 的 VIN 引腳放置一個(gè) 0.1μF 至 1μF 的陶瓷電容，以濾除高頻噪聲。如果輸入電源距離較遠(yuǎn)或包含大量低頻紋波，則需要并聯(lián)一個(gè)大容量的電解電容（10μF 到 1000μF）。

　　輸出旁路電容 (C_OUT): 靠近 LM317 的 VOUT 引腳放置一個(gè) 1μF 到 10μF 的鉭電容或電解電容。它能夠改善瞬態(tài)響應(yīng)，減少輸出紋波，并有助于防止自激振蕩。較大容量的電容可以提供更好的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)。

　　ADJUST 端電容 (C_ADJ): 在 ADJUST 引腳和地之間放置一個(gè) 10μF 的電解電容，可以顯著提高穩(wěn)壓器的紋波抑制比（特別是在 120Hz 交流紋波抑制方面）和瞬態(tài)響應(yīng)。這個(gè)電容對(duì)穩(wěn)定性也有積極作用，但不是強(qiáng)制性的。

　　所有旁路電容都應(yīng)盡可能靠近穩(wěn)壓器引腳放置，以最大限度地減少寄生電感和電阻的影響。

　　6.3. 接地與布線

　　良好的接地和布線實(shí)踐對(duì)于任何電源電路都至關(guān)重要。

　　單點(diǎn)接地： 盡量采用單點(diǎn)接地技術(shù)，避免地環(huán)路噪聲。將輸入電容、輸出電容、分壓電阻 R_2 和負(fù)載的接地端都連接到一個(gè)共同的星形接地點(diǎn)。

　　粗短走線： 大電流路徑（輸入電源線、LM317 VOUT 到負(fù)載）應(yīng)使用寬而短的銅箔走線，以減小電壓降和寄生電阻。

　　ADJUST 引腳布線： 連接 R_1 和 R_2 的 ADJUST 引腳走線應(yīng)遠(yuǎn)離噪聲源，并盡可能短。

　　6.4. 最小負(fù)載電流

　　如前所述，LM317 需要一個(gè)最小負(fù)載電流（通常在 3.5mA 到 10mA 之間）才能正常穩(wěn)壓。如果電路的正常負(fù)載在某些情況下可能低于此值，應(yīng)在輸出端并聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)提供這個(gè)最小電流。計(jì)算公式為 R_MINLOAD=V_OUT/I_MIN。在多數(shù)情況下，R_1 和 R_2 形成的分壓器本身就能提供一個(gè)足夠的靜態(tài)電流，因此不一定需要額外的最小負(fù)載電阻。流過(guò)分壓器的電流為 I_DIV=V_OUT/(R_1+R_2)。確保 I_DIV+I_LOAD_MINgeI_MIN_REQUIRED。

　　6.5. 輸入電壓波動(dòng)

　　LM317 對(duì)輸入電壓的波動(dòng)具有良好的抑制能力，但這并不意味著可以忽略輸入電壓的范圍。

　　最大輸入電壓： 確保輸入電壓不超過(guò) LM317 的最大額定輸入電壓（通常為 40V）。過(guò)高的輸入電壓會(huì)損壞器件。

　　最小輸入電壓： 確保輸入電壓始終高于輸出電壓加上 LM317 的最小壓差。否則，LM317 將無(wú)法正常穩(wěn)壓，輸出電壓會(huì)下降。

　　輸入紋波： 雖然 LM317 具有良好的紋波抑制比，但過(guò)大的輸入紋波仍然可能影響輸出電壓的質(zhì)量。必要時(shí)，在 LM317 前級(jí)增加更強(qiáng)大的濾波或預(yù)穩(wěn)壓電路。

　　6.6. 反向偏壓保護(hù)

　　在某些應(yīng)用中，例如電池充電器，如果輸入端斷開而輸出端仍連接著電池，電池的電壓可能會(huì)反向加到 LM317 的輸出端，導(dǎo)致其損壞。為了防止這種情況，可以在 LM317 的輸出端和輸入端之間并聯(lián)一個(gè)肖特基二極管（如 1N5819），其負(fù)極接輸入，正極接輸出。當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓時(shí)，二極管會(huì)導(dǎo)通，為電流提供一個(gè)旁路路徑，從而保護(hù) LM317。類似地，在 ADJUST 引腳和 VOUT 引腳之間也可以并聯(lián)一個(gè)二極管，以保護(hù) ADJUST 引腳。

　　6.7. 輸出短路保護(hù)

　　LM317 內(nèi)置了短路電流限制功能，但在某些極端情況下，為了進(jìn)一步提高可靠性，可以在輸出端串聯(lián)一個(gè)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲（Polyfuse）或普通保險(xiǎn)絲。

　　6.8. 高精度應(yīng)用

　　對(duì)于要求更高輸出電壓精度的應(yīng)用：

　　低 I_ADJ 的影響： 盡管 I_ADJ 很小，但在 R_2 阻值非常大的情況下，其對(duì)輸出電壓的影響會(huì)變得明顯。在這種情況下，需要將 I_ADJtimesR_2 項(xiàng)納入計(jì)算。

　　電阻精度： 使用精度更高的分壓電阻（例如 1% 或 0.1% 精度的金屬膜電阻）可以提高輸出電壓的準(zhǔn)確性。

　　校準(zhǔn)： 如果需要非常高的精度，可以考慮在 R_2 電路中加入一個(gè)可調(diào)電位器進(jìn)行微調(diào)。

　　7. 進(jìn)階應(yīng)用與技巧

　　LM317 的多功能性使其能夠?qū)崿F(xiàn)除了基本穩(wěn)壓和恒流之外的更復(fù)雜應(yīng)用。

　　7.1. 多路輸出電源

　　通過(guò)使用多個(gè) LM317 并分別設(shè)置其輸出電壓，可以構(gòu)建多路輸出的穩(wěn)壓電源，為不同電壓需求的電路提供獨(dú)立供電。

　　7.2. 電池充電器

　　LM317 是設(shè)計(jì)鋰離子電池或鉛酸電池充電器的理想選擇。

　　7.2.1. 恒壓充電器

　　通過(guò)將 LM317 配置為固定電壓輸出（例如 4.2V 用于單節(jié)鋰離子電池），并在輸出端串聯(lián)一個(gè)限流電阻，可以實(shí)現(xiàn)基本的恒壓充電。

　　7.2.2. 恒流/恒壓（CC/CV）充電器

　　結(jié)合 LM317 的恒流模式和恒壓模式，可以構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)易的 CC/CV 充電器。在充電初期，電池電壓較低，LM317 工作在恒流模式，提供設(shè)定的充電電流。當(dāng)電池電壓升高到預(yù)設(shè)的充電終止電壓時(shí)，LM317 轉(zhuǎn)換為恒壓模式，保持輸出電壓不變，充電電流逐漸減小，直至電池充滿。這通常需要一些額外的比較器和開關(guān)電路來(lái)在兩種模式之間切換。

　　7.3. 線性電源的預(yù)穩(wěn)壓

　　在需要極低噪聲和極高穩(wěn)定性的應(yīng)用中，可以將 LM317 作為開關(guān)電源的后級(jí)或作為另一個(gè)線性穩(wěn)壓器的預(yù)穩(wěn)壓器。例如，LM317 可以先將較高的、波動(dòng)的輸入電壓降低到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的中間電壓，然后再由一個(gè)低壓差（LDO）穩(wěn)壓器對(duì)該中間電壓進(jìn)行進(jìn)一步穩(wěn)壓，以獲得極低的噪聲輸出。這種級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)可以充分利用 LM317 的大壓差能力和 LDO 的低噪聲特性。

　　7.4. 軟啟動(dòng)電路

　　通過(guò)在 ADJUST 引腳和地之間連接一個(gè)電容和一個(gè)開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓器的軟啟動(dòng)功能。在電源開啟時(shí)，電容緩慢充電，導(dǎo)致輸出電壓逐漸升高，而不是瞬間達(dá)到設(shè)定值。這有助于抑制浪涌電流，保護(hù)下游敏感電路。

　　7.5. 電壓跟蹤器

　　LM317 也可以配置成電壓跟蹤器，即輸出電壓隨一個(gè)外部參考電壓的變化而變化。這通常需要使用運(yùn)算放大器來(lái)提供跟蹤功能，LM317 則負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的電流和功率處理。

　　7.6. 精密電流源

　　雖然 LM317 可以作為基本恒流源，但通過(guò)額外的運(yùn)算放大器和精密電阻，可以構(gòu)建更精確、更穩(wěn)定的恒流源，其性能超越了僅用 LM317 實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單恒流電路。

　　8. 封裝信息與引腳定義

　　LM317 有多種封裝形式，每種封裝的引腳排列和散熱能力都有所不同。

　　8.1. TO-220 封裝

　　特點(diǎn)： 最常見的封裝，帶金屬背板，便于安裝散熱片。適用于中等功率應(yīng)用。

　　引腳定義（從左到右，面對(duì)型號(hào)絲印面）：

　　ADJ (Adjust): 調(diào)節(jié)端

　　VOUT (Output): 穩(wěn)壓輸出端

　　VIN (Input): 未穩(wěn)壓輸入端

　　背板： 通常與 VOUT 引腳內(nèi)部連接，因此在安裝散熱片時(shí)需要注意絕緣問(wèn)題，除非散熱片也連接到 VOUT。

　　8.2. SOT-223 封裝

　　特點(diǎn)： 表面貼裝封裝，體積小，適用于空間受限的應(yīng)用。散熱能力弱于 TO-220，適合小電流應(yīng)用。

　　引腳定義（通常，具體請(qǐng)參考數(shù)據(jù)手冊(cè)）：

　　ADJ

　　VOUT

　　VIN

　　GND (通常是散熱焊盤)

　　8.3. TO-3 封裝

　　特點(diǎn)： 較老的重型金屬封裝，散熱能力極強(qiáng)，適用于大功率應(yīng)用。現(xiàn)在較少使用。

　　引腳定義： 通常是兩個(gè)引腳（ADJ 和 VIN）和一個(gè)金屬殼（VOUT），具體請(qǐng)查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)。

　　8.4. TO-263 (D2PAK) 封裝

　　特點(diǎn)： 表面貼裝的功率封裝，帶大型散熱焊盤，散熱能力介于 TO-220 和 SOT-223 之間。

　　引腳定義： 類似于 TO-220，但為表面貼裝形式。

　　在任何設(shè)計(jì)中，務(wù)必參考具體制造商提供的 LM317 數(shù)據(jù)手冊(cè)，以獲取精確的封裝信息、引腳定義和電氣參數(shù)。不同制造商的 LM317 在細(xì)節(jié)上可能存在微小差異。

　　9. 故障排除與常見問(wèn)題

　　在使用 LM317 時(shí)，可能會(huì)遇到一些問(wèn)題。以下是一些常見的故障排除技巧和解決方案。

　　9.1. 輸出電壓不穩(wěn)或振蕩

　　原因：

　　電容選擇不當(dāng)或放置位置不正確： 輸入/輸出旁路電容太小、ESR 過(guò)高或距離芯片太遠(yuǎn)。

　　最小負(fù)載電流不足： LM317 需要一個(gè)最小負(fù)載才能穩(wěn)定工作。

　　地線不良： 接地不良或存在地環(huán)路。

　　寄生電感/電容： PCB 布局中的不當(dāng)走線引入了寄生效應(yīng)。

　　解決方案：

　　確保輸入和輸出電容的選擇符合數(shù)據(jù)手冊(cè)建議，并盡可能靠近芯片引腳放置。

　　如果負(fù)載電流可能很小，考慮在輸出端并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮枰蕴峁┳钚∝?fù)載。

　　檢查接地連接，確保所有相關(guān)接地點(diǎn)都匯聚到單一星形接地點(diǎn)。

　　優(yōu)化 PCB 布局，減小大電流回路面積，避免長(zhǎng)而細(xì)的走線。

　　嘗試在 ADJUST 引腳和地之間增加一個(gè) 10μF 的電容 (C_ADJ)，這通常能有效改善穩(wěn)定性。

　　9.2. 輸出電壓過(guò)低或沒(méi)有輸出

　　原因：

　　輸入電壓不足： 輸入電壓低于輸出電壓加上最小壓差。

　　過(guò)載或短路： 輸出電流超過(guò) LM317 的額定電流，導(dǎo)致過(guò)流保護(hù)或過(guò)熱保護(hù)激活。

　　器件損壞： 芯片本身?yè)p壞（例如，由于過(guò)壓、過(guò)流或過(guò)熱）。

　　接線錯(cuò)誤： 引腳連接錯(cuò)誤或虛焊。

　　R_1 或 R_2 錯(cuò)誤： 電阻值計(jì)算錯(cuò)誤或電阻本身?yè)p壞/開路。

　　解決方案：

　　檢查輸入電壓是否在有效范圍內(nèi)。

　　測(cè)量負(fù)載電流，確保沒(méi)有過(guò)載。斷開負(fù)載，看輸出電壓是否恢復(fù)正常。

　　用萬(wàn)用表檢查 LM317 各引腳電壓，判斷是否內(nèi)部損壞。

　　仔細(xì)檢查電路接線，對(duì)照數(shù)據(jù)手冊(cè)確認(rèn)引腳定義。

　　重新計(jì)算 R_1 和 R_2 的值，并用萬(wàn)用表測(cè)量其實(shí)際阻值。

　　9.3. LM317 過(guò)熱

　　原因：

　　功耗過(guò)大： 輸入-輸出壓差過(guò)大和/或輸出電流過(guò)大，導(dǎo)致內(nèi)部功耗超過(guò)散熱能力。

　　散熱不良： 沒(méi)有散熱片、散熱片尺寸不足或安裝不當(dāng)。

　　環(huán)境溫度過(guò)高： 在高溫環(huán)境下工作。

　　解決方案：

　　減小輸入-輸出壓差：如果可能，將輸入電壓降低到剛好滿足輸出電壓要求（輸出電壓 + 最小壓差）。例如，如果輸出 5V，輸入 9V 通常比輸入 12V 更高效。

　　增加散熱：安裝更大尺寸的散熱片，確保散熱片與芯片接觸良好，并使用導(dǎo)熱硅脂。

　　檢查通風(fēng)：確保設(shè)備內(nèi)部有良好的空氣流通。

　　考慮使用開關(guān)穩(wěn)壓器：對(duì)于大電流或高壓差應(yīng)用，線性穩(wěn)壓器效率低、發(fā)熱大，開關(guān)穩(wěn)壓器是更好的選擇。

　　并聯(lián)多個(gè) LM317 或使用外部功率晶體管分擔(dān)電流。

　　9.4. 紋波抑制效果不佳

　　原因：

　　輸入紋波過(guò)大： 輸入電源的紋波本身就很大。

　　C_ADJ 未使用或容量不足： ADJUST 端電容對(duì)紋波抑制有顯著影響。

　　布局問(wèn)題： 噪聲耦合。

　　解決方案：

　　加強(qiáng)輸入端的濾波。

　　在 ADJUST 引腳和地之間放置一個(gè) 10μF 或更大容量的電容 C_ADJ。

　　優(yōu)化 PCB 布局，確保信號(hào)路徑和接地完整性。

　　10. LM317 與其他穩(wěn)壓器的比較

　　LM317 并非唯一的穩(wěn)壓器選擇，了解其與其他類型穩(wěn)壓器的異同有助于在不同應(yīng)用場(chǎng)景中做出最佳選擇。

　　10.1. 與固定穩(wěn)壓器（如 78xx 系列）的比較

　　LM317（可調(diào)）：

　　優(yōu)點(diǎn)： 輸出電壓可調(diào)，靈活性高，可以通過(guò)外部電阻精確設(shè)置任何所需的電壓。

　　缺點(diǎn)： 需要外部電阻，計(jì)算和選擇電阻增加了設(shè)計(jì)步驟。

　　78xx 系列（固定）：

　　優(yōu)點(diǎn)： 輸出電壓固定（如 7805 輸出 5V，7812 輸出 12V），使用簡(jiǎn)單，只需輸入和輸出電容。

　　缺點(diǎn)： 缺乏靈活性，每種電壓都需要不同的型號(hào)。

　　應(yīng)用場(chǎng)景： 如果需要一個(gè)特定且固定的電壓，78xx 系列通常更簡(jiǎn)單直接。如果需要多個(gè)電壓或電壓可調(diào)，LM317 更具優(yōu)勢(shì)。

　　10.2. 與低壓差穩(wěn)壓器（LDO）的比較

　　LM317（非 LDO）：

　　優(yōu)點(diǎn)： 歷史悠久，成熟可靠，成本低廉，電流能力較強(qiáng)（1.5A）。

　　缺點(diǎn)： 壓差較高（2V-3V），導(dǎo)致在輸入電壓接近輸出電壓時(shí)無(wú)法正常工作，效率相對(duì)較低，發(fā)熱量大。

　　LDO（Low Dropout Regulator）：

　　優(yōu)點(diǎn)： 壓差極低（通常低于 0.5V，甚至低至幾十 mV），在輸入電壓接近輸出電壓時(shí)也能工作，效率高，發(fā)熱量小。

　　缺點(diǎn)： 通常電流能力不如 LM317 強(qiáng)大（盡管也有大電流 LDO），價(jià)格可能略高。

　　對(duì)電容 ESR 的要求： 許多 LDO 對(duì)輸出電容的 ESR 有特定要求，有些 LDO 需要 ESR 較高的電容才能穩(wěn)定工作。

　　靜態(tài)電流： 許多 LDO 具有極低的靜態(tài)電流，非常適合電池供電的低功耗應(yīng)用。

　　應(yīng)用場(chǎng)景： 對(duì)于電池供電、對(duì)效率和發(fā)熱量有嚴(yán)格要求、或輸入電壓與輸出電壓非常接近的應(yīng)用，LDO 是更好的選擇。對(duì)于壓差不是關(guān)鍵因素、需要高電流、或?qū)Τ杀久舾械膽?yīng)用，LM317 仍然是可靠的選擇。

　　10.3. 與開關(guān)穩(wěn)壓器（DC-DC Converter）的比較

　　LM317（線性穩(wěn)壓器）：

　　優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)單易用，噪聲極低，輸出紋波小，瞬態(tài)響應(yīng)快，無(wú)需復(fù)雜的磁性元件（電感）。

　　缺點(diǎn)： 效率低，尤其是在輸入-輸出壓差大時(shí)，能量以熱量形式散失，需要大量散熱。

　　開關(guān)穩(wěn)壓器：

　　優(yōu)點(diǎn)： 效率極高（通常 80% 到 95%），發(fā)熱量小，適用于大功率應(yīng)用或需要將電壓大幅降壓/升壓的場(chǎng)合。

　　缺點(diǎn)： 電路復(fù)雜，需要電感、肖特基二極管等外部元件；會(huì)產(chǎn)生開關(guān)噪聲和 EMI 問(wèn)題，可能需要額外的濾波；瞬態(tài)響應(yīng)可能不如線性穩(wěn)壓器快。

　　應(yīng)用場(chǎng)景： 對(duì)于低噪聲、對(duì)效率要求不高、電流在 1.5A 以下、且輸入-輸出壓差不大的應(yīng)用，LM317 仍然是首選。對(duì)于大功率、電池供電、或需要大幅度電壓轉(zhuǎn)換的應(yīng)用，開關(guān)穩(wěn)壓器是更優(yōu)的選擇。在某些對(duì)噪聲敏感的大功率應(yīng)用中，可以采用開關(guān)穩(wěn)壓器作為預(yù)穩(wěn)壓，再由 LM317（或其他線性穩(wěn)壓器）進(jìn)行二次穩(wěn)壓以降低噪聲。

　　11. 總結(jié)

　　LM317 作為一款經(jīng)典的通用可調(diào)三端穩(wěn)壓器，憑借其卓越的性能、極高的可靠性以及簡(jiǎn)單的使用方式，在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域保持著不可動(dòng)搖的地位。它能夠輕松實(shí)現(xiàn)從 1.25V 到 37V 的寬范圍電壓調(diào)節(jié)，并提供高達(dá) 1.5A 的輸出電流，同時(shí)內(nèi)置過(guò)熱和短路保護(hù)，極大地簡(jiǎn)化了電源電路的設(shè)計(jì)。

　　從基本的穩(wěn)壓電源到恒流源，從電池充電器到復(fù)雜的線性電源預(yù)穩(wěn)壓，LM317 的應(yīng)用場(chǎng)景極為廣泛。然而，為了充分發(fā)揮其性能并確保電路的穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)者必須深入理解其工作原理，并細(xì)致考量散熱、電容選擇、接地布線等關(guān)鍵因素。盡管現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展迅猛，出現(xiàn)了更多高效、低壓差的穩(wěn)壓器，但 LM317 依然是許多應(yīng)用場(chǎng)景中成本效益高、易于實(shí)現(xiàn)且性能可靠的選擇。掌握 LM317 的設(shè)計(jì)與應(yīng)用技巧，是每一位電子工程師必備的基礎(chǔ)知識(shí)。