LM317 是 20 世纪 70 年代诞生的经典可调式稳压器。如今，这款通用器件拥有多种封装形式，包括 SOT23-5、原始的 TO-220 以及标志性的 TO-3 封装。本技术指南将回顾 LM317 的工作原理，推导输出电压公式，并列举一些容易让工程师和技术人员陷入困境的常见问题。
请注意，LM317（图 1）是一款正输出可调稳压器。本文内容同样适用于其互补型号 ——LM337 负压稳压器。
图 1：LM317 稳压器工作台实验装置，采用文件夹作为散热片，三个 7268 型白炽灯作为负载
一、LM317 的内部结构
图 2 展示了 LM317 的核心组成部分，包括关键内部元件和两个外部元件：
- 基准电压源：LM317 基于负反馈环路工作，输出电压与基准电压进行比较。其稳定性取决于内部 1.25 伏直流带隙基准源的质量。
- 恒流源：通过恒流源进一步提升基准电压的稳定性，它如同电子屏蔽层，使基准电压免受输入电压变化的影响。
- 放大器：用于比较输出电压与基准电压。
- 调整管：由运算放大器控制的 NPN 调整管决定 LM317 稳压器的输出电压。该调整管为大功率器件，其功耗可通过以下公式估算：
- 电阻 R1 和 R2：外部电阻，用于设定 LM317 的输出电压。
图 2：LM317 及辅助电路的简化示意图
二、工作原理
核心结论：电阻 R1 两端的电压始终保持在 1.25 伏直流。
运算放大器的黄金法则
要理解 LM317 的工作机制，首先需参考霍洛维茨（Horowitz）和希尔（Hill）在其经典著作《电子学艺术》中提出的运算放大器黄金法则：
- 输出端会自动调整，使两个输入端的电压差为零；
- 输入端几乎不吸收电流。
将这些法则应用于图 2 的简化电路中，可得出结论：R1 两端的电压与基准电压（1.25 伏直流）相等。这一特性是 LM317 工作的关键。
LM317 的输出电压检测方式
LM317 的输出电压并非以地为参考点，而是通过检测 R1 两端的电压降间接获取。
反馈机制使 R1 两端电压恒定为 1.25 伏直流，固定电阻 R1 两端的恒定电压会产生固定电流。因此，忽略 LM317 调整端的微小电流后，R2 的电流也保持恒定。
输出电压公式推导
基于图 2 的关键信息：
- 运算放大器使 R1 两端电压等于基准电压（1.25 伏直流）；
- 运算放大器输入端不吸收电流；
- LM317 调整端的电流远小于 R1 和 R2 的电流，因此可认为 R1 和 R2 的电流相等；
- NPN 调整管需约 5 毫安电流才能维持线性（放大）工作状态。
由于IR1 = IR2：
R1 的选型原则
为确保调整管工作在线性区，R1 的阻值必须小于 250Ω，但也不宜过小（避免不必要的功耗）。通常 R1 的取值范围为 100Ω~250Ω。
三、LM317 的设计误区及注意事项
1. 过度功耗导致过热
LM317 是线性稳压器，调整管的电流与负载电流基本相等（仅增加 R1 和 R2 的少量电流）。其功耗估算公式为：
半导体散热是一个独立的专业领域。入门阶段可参考相关文章，理解环境温度（TA）、外壳温度（TC）和结温（TJ）之间的关键区别。
技术小贴士： 需配备足够的散热片，以应对输入电压和负载电流均处于高位的最坏情况。注意电网电压通常存在 ±5% 的波动，若产品由修正正弦波逆变器或稳压性能较差的发电机供电，电压波动可能更大。
尽管 LM317 具备过温保护功能，但墨菲定律无处不在，不应依赖这一内置安全机制。
2. 忽略调整引脚电流
前文推导的输出公式未考虑 LM317 调整端的微小电流。若 R1 取值小于 250Ω，该电流的影响可忽略不计；否则会导致输出电压误差。
3. 低负载电流下稳压性能不佳
LM317 的输出管需约 5 毫安电流才能维持线性工作状态。解决这一问题的关键仍是选择小阻值 R1（通常 100Ω~250Ω）。例如，当 R1=100Ω 时，负载电流约为 12.5 毫安，这会使 LM317 产生一定热量：若输入电压 15 伏直流、输出电压 9 伏直流，芯片本身功耗为 75 毫瓦，R1 和 R2 的功耗约为 113 毫瓦，因此 R1 的取值空间有限。
4. 混淆典型值与最大值规格
最小负载电流并非统一的 5 毫安：部分 LM317 型号的最小负载电流低至 3.5 毫安，而部分型号可能需要高达 10 毫安。
务必区分数据手册中的 “典型值” 和 “最大值” 规格。例如，一款典型值 3.5 毫安、最大值 10 毫安的器件，为确保稳定稳压，应按 10 毫安的负载电流设计。
5. 反馈路径失效时电压过高
经典 LM317 电路中，R2 常采用电位器。随着使用时间增长，电位器的滑片可能出现噪声或瞬时失效，导致开路（电阻趋于无穷大）。根据输出公式，此时输出电压会跃升至输入电压减去稳压器自身压降的数值。
这种反馈失效可能损坏敏感元件。例如，输入电压为 20 伏直流的 LM317 台式电源，若发生此类故障，输出电压将接近满量程，可能烧毁 3.3 伏直流逻辑芯片。
可通过以下方式提供有限保护：
- 按图 3 所示，将电位器的本体（1 脚和 3 脚）接入电路，避免 3 脚悬空；
- 在 R2 两端并联齐纳二极管钳位电路，滑片失效时二极管导通，将输出电压限制在 “齐纳电压 + 1.25 伏直流”；
- 采用 “固定电阻 + 电位器” 的并联结构（图 3），通过固定电阻限制最大输出电压，电位器仅用于精细调节；
- 使用小阻值电位器，其 1 脚和 3 脚永久接入电路，限制电压调节范围；
- 增加撬棍电路（crowbar circuit）分流输出电压，这种方法较为激进，可能损坏 LM317，但能保护敏感负载。
图 3：带电位器滑片失效保护的可变电源部分示意图及实物图
6. 缺少电容和保护二极管导致振荡或损坏
完整的 LM317 电路应包含保护二极管和电容（如图 4 所示，德州仪器数据手册推荐电路）。电容可降低噪声并抑制振荡，二极管可防止反向电流造成损坏。
具体推荐元件参数及更多应用电路，请参考产品数据手册。
图 4：德州仪器数据手册中的完整 LM317 电路
四、应用实例
实例 1：6.4 伏直流固定输出电源
本实例将 LM317 配置为 6.4 伏直流输出，模拟两节串联的锂离子电池。电阻参数如图 2 所示：R1=100Ω（精度 1%），R2=412Ω（精度 1%）。
电阻对选型
LM317 的输出电压由两个电阻共同设定。由于电阻阻值为离散值，需选择合适的电阻对，在满足目标输出电压的同时平衡静态电流。
推导得出：R2/R1 = 4.12
可参考相关文章，通过图形法或计算机程序辅助选型。本实例中，1.00（R1=100Ω）和 4.12（R2=412Ω）均属于 E-192 系列（1% 精度）电阻，选型较为简便。
实例 2：带过压限制的可变电源
本实例构建一款可变输出电源，通过硬件限制最大输出电压，防止电位器滑片失效时出现过压。将 R2 替换为 “固定电阻 + 电位器” 的并联结构，使最大输出电压限制在约 8 伏直流，电路示意图及实物图如图 3 所示。
根据目标最大输出电压 8.0 伏直流反向推导：
得出：R2/R1 = 5.40
保留 R1=100Ω，则 R2 的并联总阻值需为 540Ω。选用标准 2kΩ 电位器，计算得出匹配的固定电阻约为 740Ω， nearest E24 系列（5% 精度）电阻为 750Ω。
五、LM317 与 LT3080
LM317, 这款拥有 50 年历史的器件以及新型号 LT3080
图 5 展示了现代 TO-220 封装的 LM317 与 LT3080 的对比。值得注意的是，LT3080 仅需一个电阻即可设定输出电压，且输出电压可调节至 0 伏直流。
图 5：LM317 与 LT3080 的实物对比图
六、在 DigiKey 查找 LM317
与其他通用元器件一样，LM317 是一系列相关器件的核心型号。在得捷电子搜索的最佳方式是使用复合关键词 “317 稳压器”。封装涵盖 SOT23-5、TO-220、TO-3 等。其互补型号 “337 稳压器” 也有很多种相关产品。
结语
许多人都是通过制作以 LM317 为核心的简易台式电源入门电子技术。这个经典项目对于如今的学习者而言，依然与近半个世纪前一样具有重要意义。
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