lm317中文資料詳細(xì)


LM317 可調(diào)穩(wěn)壓器中文資料概述
LM317是一款應(yīng)用極其廣泛的三端可調(diào)正電壓穩(wěn)壓器,由美國國家半導(dǎo)體公司(National Semiconductor,現(xiàn)已被德州儀器TI收購)推出。自問世以來,它以其優(yōu)異的性能、簡單的外圍電路和極高的可靠性,在各種電子設(shè)備中扮演著至關(guān)重要的角色,從簡單的直流電源到復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng),無處不在。
1. LM317 核心特性與優(yōu)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(xù)調(diào)節(jié)至37V,這一寬廣的調(diào)節(jié)范圍使其能夠滿足絕大多數(shù)低壓直流電源的需求。
高輸出電流能力: 標(biāo)準(zhǔn)LM317在適當(dāng)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(yīng)用,還存在更高電流規(guī)格的衍生型號(如LM350、LM338等)。
出色的線路與負(fù)載調(diào)整率: LM317具備優(yōu)異的線路調(diào)整率(即輸入電壓變化對輸出電壓的影響)和負(fù)載調(diào)整率(即負(fù)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(wěn)定。典型線路調(diào)整率可達(dá)0.01%/V,負(fù)載調(diào)整率可達(dá)0.1%。
內(nèi)置過載保護(hù): LM317集成了多種保護(hù)機(jī)制,包括限流保護(hù)、過熱關(guān)斷保護(hù)和安全工作區(qū)保護(hù)。這些保護(hù)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(wěn)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(gòu)建固定電壓源,還能輕松實現(xiàn)恒流源或高端穩(wěn)壓器等特殊應(yīng)用。
低噪聲: LM317在輸出電壓中產(chǎn)生的噪聲較低,這對于對電源質(zhì)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(shè)定輸出電壓,外圍電路極其簡單,這大大降低了設(shè)計和調(diào)試的復(fù)雜性。
2. LM317 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理
理解LM317的工作原理,有助于更好地進(jìn)行電路設(shè)計。LM317內(nèi)部包含一個高增益運算放大器、一個精密電壓基準(zhǔn)、功率晶體管以及各種保護(hù)電路。
基準(zhǔn)電壓源: LM317的核心是一個1.25V的精密基準(zhǔn)電壓源,通常位于調(diào)整端(ADJ)和輸出端(OUT)之間。這個基準(zhǔn)電壓是LM317穩(wěn)定輸出的基礎(chǔ)。
誤差放大器: 誤差放大器負(fù)責(zé)比較輸出電壓在調(diào)整端的采樣值與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。如果兩者之間存在差異,誤差放大器會產(chǎn)生一個誤差信號。
調(diào)整管(功率晶體管): 誤差信號經(jīng)過放大后,驅(qū)動內(nèi)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(dǎo)通程度來調(diào)整流過負(fù)載的電流,從而將輸出電壓調(diào)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(diào)整端。誤差放大器根據(jù)這個反饋電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的比較結(jié)果,不斷調(diào)整功率晶體管的導(dǎo)通,使得調(diào)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(nèi)部基準(zhǔn)電壓,典型值為1.25V。
R1 和 R2 是用于設(shè)置輸出電壓的外部電阻。
IADJ 是調(diào)整端電流,典型值約為50μA。由于 IADJ 的數(shù)值很小且相對穩(wěn)定,在大多數(shù)實際應(yīng)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(yīng)用電路解析
LM317的應(yīng)用非常靈活,以下是幾種常見的典型應(yīng)用:
3.1. 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源
這是LM317最基本也是最常用的應(yīng)用。
電路構(gòu)成: 僅需兩個外部電阻 R1 和 R2 即可設(shè)定輸出電壓。通常,R1 取值固定,例如240Ω,而 R2 則使用一個可調(diào)電位器或與固定電阻串聯(lián),實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。
輸入電容 (CIN): 通常在輸入端并聯(lián)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(wěn)定性。
輸出電容 (COUT): 在輸出端并聯(lián)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(tài)響應(yīng),減少輸出紋波,并抑制高頻振蕩。
保護(hù)二極管:
D1(輸入至輸出): 在輸入和輸出之間反向并聯(lián)一個二極管(如1N4001),當(dāng)輸出電壓可能高于輸入電壓時(例如輸入短路或關(guān)機(jī)時輸出端存在大電容放電),保護(hù)LM317內(nèi)部電路免受反向電流沖擊。
D2(輸出至調(diào)整端): 在輸出和調(diào)整端之間反向并聯(lián)一個二極管,當(dāng)調(diào)整端由于某種原因(如R2開路或瞬間接觸不良)導(dǎo)致輸出電壓瞬時升高時,保護(hù)調(diào)整端。
3.2. 固定電壓輸出穩(wěn)壓電源
雖然LM317是可調(diào)穩(wěn)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(tǒng)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(xiàn)。
電路構(gòu)成: 僅需一個外部電阻 RSET 連接在調(diào)整端和輸出端之間。
工作原理: 由于調(diào)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(yīng)用: 廣泛應(yīng)用于LED驅(qū)動、電池充電器、電機(jī)驅(qū)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(shè)置所需的恒流值。
3.4. 高壓穩(wěn)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(kuò)展其工作在高壓環(huán)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(lián)調(diào)整元件。LM317作為基準(zhǔn)電壓源和誤差放大器來驅(qū)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(dān),LM317本身的工作電壓范圍保持在其規(guī)格之內(nèi)。
設(shè)計要點: 需仔細(xì)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(yōu)異的紋波抑制能力使其可以作為前級穩(wěn)壓器來降低輸入紋波,從而改善后級電路的電源質(zhì)量。即使在較高紋波的輸入環(huán)境下,LM317也能提供非常穩(wěn)定的直流輸出。
4. LM317 設(shè)計考量與注意事項
在實際應(yīng)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(jié)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(jù)功耗選擇合適的散熱片。在功耗較大時,甚至需要強(qiáng)制風(fēng)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(jié)到環(huán)境)應(yīng)滿足:
RJA=RJC+RCS+RSA<PDTJ(max)?TA其中:
RJC 是結(jié)到殼的熱阻。
RCS 是殼到散熱片的熱阻(通常由導(dǎo)熱硅脂或絕緣墊決定)。
RSA 是散熱片到環(huán)境的熱阻。
TJ(max) 是最大允許結(jié)溫。
TA 是環(huán)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(wěn)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(dǎo)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(tài)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(tài)響應(yīng)和穩(wěn)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(lián)小容量(如0.1μF)的瓷片電容,有助于濾除高頻噪聲。
4.4. 調(diào)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(yīng)用,如果 R1 和 R2 靠近發(fā)熱的LM317,應(yīng)注意電阻的溫度漂移,必要時選擇低溫度系數(shù)的電阻。
4.5. 保護(hù)二極管的重要性
如前所述,保護(hù)二極管在LM317電路中至關(guān)重要。
輸入至輸出二極管 (D1): 當(dāng)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(hù)LM317。
輸出至調(diào)整端二極管 (D2): 當(dāng)調(diào)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(diào)整端過壓,保護(hù)內(nèi)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(yīng)用中,可以通過以下方法進(jìn)一步改善:
增加輸出電容: 適當(dāng)增加輸出濾波電容的容量。
RC濾波器: 在調(diào)整端增加一個RC濾波器,可以進(jìn)一步降低輸出噪聲。這會在調(diào)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(wěn)定性至關(guān)重要。應(yīng)采用星形接地或大面積覆銅,避免地線環(huán)路。
5. LM317 的封裝形式與型號衍生
LM317有多種封裝形式,以適應(yīng)不同的應(yīng)用和散熱需求:
TO-220: 最常見的封裝,通常用于中等功率應(yīng)用,方便安裝散熱片。
TO-92: 用于小功率應(yīng)用,無需散熱片。
SOT-223: 表面貼裝封裝,適用于緊湊型設(shè)計。
TO-3: 金屬封裝,用于大功率應(yīng)用,提供更好的散熱能力。
除了標(biāo)準(zhǔn)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(jié)論
LM317作為一款經(jīng)典的線性穩(wěn)壓器,以其優(yōu)異的性能、簡單的使用和極高的可靠性,在電子設(shè)計領(lǐng)域占據(jù)著不可動搖的地位。掌握其工作原理、應(yīng)用電路和設(shè)計考量,是每一位電子工程師的基本功。盡管開關(guān)穩(wěn)壓器在效率方面具有優(yōu)勢,但在需要低噪聲、低紋波、簡單電路或?qū)π室蟛荒敲纯量痰膱龊?,LM317依然是不可替代的選擇。通過本文的詳細(xì)介紹,希望能幫助您更好地理解和應(yīng)用LM317,從而在您的電子設(shè)計中發(fā)揮其最大潛力。
責(zé)任編輯:David
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