LM1117 芯片引腳圖及功能詳解

　　LM1117 是一款應用極其廣泛的低壓差線性穩壓器（LDO），由國家半導體（National Semiconductor，現已被德州儀器 TI 收購）生產。它以其低壓差、高精度、熱過載保護和電流限制等特性，在各種電子設備中扮演著至關重要的角色，從簡單的直流供電電路到復雜的微控制器系統，都可能見到它的身影。理解 LM1117 的引腳圖和功能是正確使用這款芯片的基礎。

　　LM1117 概述

　　LM1117 系列穩壓器設計用于提供高達 800mA 的輸出電流，其關鍵優勢在于低壓差電壓。例如，在最大輸出電流下，典型壓差電壓為 1.2V。這使得它非常適合需要高效將較高電壓轉換為較低電壓的應用，尤其是在輸入電壓與輸出電壓之間差異不大的情況下。它有固定輸出電壓版本（如 1.8V、2.5V、3.3V、5V 等）和可調輸出電壓版本，為設計者提供了極大的靈活性。

　　穩壓器的工作原理是通過一個反饋環路來維持輸出電壓的穩定。LM1117 內部包含一個基準電壓源、一個誤差放大器、一個通過晶體管或 FET 實現的串聯調整元件，以及保護電路。當輸出電壓偏離設定值時，誤差放大器會檢測到這種偏差，并調整串聯調整元件的導通程度，從而將輸出電壓拉回到目標值。

　　LM1117 封裝類型

　　LM1117 系列芯片通常提供多種封裝類型，以適應不同的應用需求和 PCB 空間限制。最常見的封裝包括：

　　SOT-223 (Small Outline Transistor)：這是一種表面貼裝封裝，體積小巧，散熱性能適中，是便攜式設備和空間受限應用中的常見選擇。SOT-223 封裝通常只有三個引腳。

　　TO-220 (Transistor Outline)：這是一種通孔封裝，體積相對較大，但散熱性能優異，非常適合需要較大輸出電流或高環境溫度的應用。TO-220 封裝的金屬片通常與引腳 2（輸出）連接，有助于散熱。

　　TO-263 (D2PAK)：這也是一種表面貼裝封裝，類似于 TO-220 的表面貼裝版本，具有良好的散熱能力，適用于中高功率應用。

　　SOT-89：比 SOT-223 更小的表面貼裝封裝，適用于對空間要求更嚴格，且輸出電流需求相對較低的場景。

　　雖然封裝類型不同，但核心引腳的功能和連接方式在大多數情況下是相似的，尤其是在引腳數量相同的情況下。

　　LM1117 引腳圖及功能詳解

　　LM1117 最常見的引腳配置是三引腳封裝（如 SOT-223、TO-220），其引腳功能如下：

　　1. Adj/GND (調整/接地)

　　對于可調版本 (Adjustable)：這個引腳是 調整 (Adjust) 引腳。它連接到芯片內部誤差放大器的反相輸入端。通過外部電阻分壓器，可以將輸出電壓設定到所需的值。具體的公式為 V_OUT=V_REFtimes(1+fracR2R1)+I_ADJtimesR2，其中 V_REF 是內部基準電壓（通常為 1.25V），R1 和 R2 是分壓電阻，I_ADJ 是流過調整引腳的微小偏置電流（通常在 50μA 到 120μA 之間，具體數值請參考數據手冊）。這個引腳通常需要連接一個電容到地，以改善紋波抑制和穩定性。

　　對于固定版本 (Fixed)：這個引腳是 接地 (Ground) 引腳。它直接連接到電路的公共地。芯片內部的反饋網絡已經預設好了輸出電壓，所以不需要外部電阻來調整。將此引腳直接接地即可確保輸出固定在預設值。

　　無論可調版本還是固定版本，這個引腳都是穩壓器穩定工作的關鍵。對于可調版本，正確選擇外部電阻對于獲得精確的輸出電壓至關重要。對于固定版本，確保該引腳良好接地是穩定輸出的必要條件。不正確的接地或調整電阻選擇會導致輸出電壓偏差甚至不穩。

　　2. VOUT (輸出電壓)

　　這個引腳是穩壓器的 輸出電壓 (Output Voltage) 引腳。經過芯片內部穩壓后的直流電壓從這個引腳輸出。它是 LM1117 的核心功能所在，為負載提供穩定的電源。

　　為了確保穩壓器的穩定性和瞬態響應，通常建議在 VOUT 引腳和地之間并聯一個低 ESR（等效串聯電阻）的輸出電容器。數據手冊通常推薦使用至少 10μF 的鉭電容器，或等效的陶瓷電容器。這個電容器的作用是：

　　改善瞬態響應：當負載電流突然變化時，電容器可以迅速提供或吸收電荷，從而抑制輸出電壓的瞬態跌落或過沖。

　　抑制高頻噪聲：輸出電容器可以濾除高頻噪聲和紋波，提供更純凈的直流輸出。

　　確保環路穩定性：許多 LDO 需要特定的輸出電容來維持內部控制環路的穩定性，防止振蕩。

　　輸出電容的 ESR 對 LM1117 的穩定性至關重要。過高或過低的 ESR 都可能導致不穩定的振蕩。請務必參考具體數據手冊中關于輸出電容 ESR 范圍的建議。此外，這個引腳通常也是 TO-220 和 TO-263 封裝的金屬散熱片所連接的引腳，有助于將芯片內部產生的熱量散發出去。在設計 PCB 時，應確保連接到這個引腳的銅面積足夠大，以利于散熱。

　　3. VIN (輸入電壓)

　　這個引腳是穩壓器的 輸入電壓 (Input Voltage) 引腳。未穩壓的直流輸入電壓從這個引腳進入芯片。

　　輸入電壓必須高于目標輸出電壓和穩壓器的最小壓差電壓之和。例如，如果 LM1117 的壓差電壓典型值為 1.2V，輸出電壓設置為 3.3V，那么輸入電壓至少需要 3.3V+1.2V=4.5V 才能確保正常穩壓。如果輸入電壓低于這個值，輸出將無法達到目標值，或者根本無法正常工作。

　　為了防止輸入電壓的瞬態變化、濾除輸入電源的噪聲、以及為穩壓器提供低阻抗的電源，通常建議在 VIN 引腳和地之間并聯一個輸入電容器。

　　濾除噪聲：輸入電容器可以有效濾除來自電源的高頻噪聲和紋波，防止它們干擾穩壓器的正常工作。

　　提供瞬時電流：當穩壓器負載發生瞬態變化時，輸入電容器可以提供瞬時電流，以彌補電源線上的電壓下降，確保穩壓器輸入端電壓的穩定性。

　　防止自激振蕩：在某些情況下，輸入電容也對穩壓器的穩定性有益。

　　輸入電容的選擇通常為 1μF 到 10μF，但具體數值也需要參考數據手冊。陶瓷電容器或鉭電容器都是常見的選擇。與輸出電容類似，輸入電容的放置位置應盡可能靠近芯片的 VIN 引腳，以最大程度地發揮其作用。

　　LM1117 內部結構與工作原理 (概念性)

　　雖然我們無法深入到晶體管層面解析 LM1117 的每一寸電路，但了解其概念性的內部結構有助于更好地理解其功能和限制。

　　1. 基準電壓源 (Voltage Reference)

　　LM1117 的核心是一個高精度的 基準電壓源。對于可調版本，這個基準電壓通常是 1.25V。所有輸出電壓的設定和調整都是基于這個基準電壓。它的穩定性直接影響著輸出電壓的精度和溫度漂移。一個高質量的基準電壓源是高性能穩壓器的基石。

　　2. 誤差放大器 (Error Amplifier)

　　誤差放大器 是反饋環路的關鍵部分。它有兩個輸入端：一個連接到基準電壓源（或其通過分壓器形成的參考電壓），另一個連接到輸出電壓的分壓點（對于可調版本）或內部反饋點（對于固定版本）。

　　誤差放大器比較這兩個電壓，計算它們的差值（誤差信號）。如果輸出電壓偏離了設定值，誤差放大器會產生一個誤差信號，這個信號隨后被放大并用于驅動串聯調整元件。例如，如果輸出電壓下降，誤差放大器會檢測到，并發出信號增加串聯調整元件的導通度，從而提高輸出電壓。

　　3. 串聯調整元件 (Pass Element)

　　串聯調整元件 是一個功率晶體管（通常是 PNP 或 NPN 晶體管，或 MOSFET），它串聯在輸入和輸出之間。誤差放大器的輸出會控制這個串聯調整元件的導通程度。

　　通過調整串聯調整元件的電阻，穩壓器可以“吸收”多余的輸入電壓，從而在輸出端維持一個恒定的電壓。這個元件是 LDO 中產生壓差和功耗的主要來源。LM1117 通常使用 PNP 晶體管作為串聯調整元件，這是 LDO 能夠實現低壓差的關鍵原因之一，因為 PNP 晶體管飽和壓降較低。

　　4. 保護電路 (Protection Circuits)

　　LM1117 內部集成了多種保護電路，以提高芯片的魯棒性和可靠性，防止在異常工作條件下損壞：

　　過熱保護 (Thermal Overload Protection)：當芯片內部溫度超過設定的閾值（例如 165°C 或 170°C）時，過熱保護電路會激活，通常會降低輸出電流或完全關閉穩壓器，以防止芯片因過熱而損壞。當溫度降至安全范圍后，芯片可能會自動恢復正常工作。這是 LM1117 的一項重要安全特性。

　　電流限制保護 (Current Limit Protection)：當輸出電流超過芯片設定的最大限制（通常在 800mA 到 1.5A 之間，具體取決于型號）時，電流限制電路會啟動，限制輸出電流，以保護芯片和負載免受過流損壞。這在負載短路或其他過載情況下非常有用。

　　這些保護機制大大增強了 LM1117 在實際應用中的可靠性和容錯性。

　　LM1117 關鍵特性與參數

　　在設計中使用 LM1117 時，除了引腳功能，還需要了解其關鍵特性和參數：

　　1. 壓差電壓 (Dropout Voltage)

　　這是 LDO 的一個最重要參數。壓差電壓 是指輸出電壓能夠維持在設定值所需的最小輸入電壓與輸出電壓之間的差值。例如，如果 LM1117 的輸出為 3.3V，典型壓差為 1.2V，那么輸入電壓至少需要 3.3V+1.2V=4.5V 才能保證 3.3V 的輸出。

　　LM1117 以其相對較低的壓差電壓而聞名，這使得它非常適合在輸入電壓與輸出電壓接近的應用中。低壓差意味著更小的功耗和更高的效率，尤其是在電池供電系統中。

　　2. 輸出電流 (Output Current)

　　LM1117 能夠提供的最大連續輸出電流。通常為 800mA（0.8A）或更高，但也有不同電流能力的子型號。在選擇 LM1117 時，務必確保其輸出電流能力滿足負載的峰值電流需求。

　　3. 輸出電壓精度 (Output Voltage Accuracy)

　　指在指定工作條件下，實際輸出電壓與標稱輸出電壓之間的最大偏差。通常以百分比表示（例如 ±1%）。影響精度的因素包括內部基準電壓的精度、誤差放大器的漂移以及外部電阻的精度（對于可調版本）。

　　4. 紋波抑制比 (Ripple Rejection Ratio, PSRR)

　　電源抑制比 (PSRR) 衡量穩壓器抑制輸入端交流紋波和噪聲的能力。PSRR 越高，意味著穩壓器能更好地濾除輸入端的紋波，提供更平滑的直流輸出。通常以 dB 表示。LM1117 在低頻下具有較好的 PSRR，但在高頻下會下降，因此需要適當的輸入/輸出電容來輔助抑制高頻噪聲。

　　5. 靜態電流 (Quiescent Current, IQ)

　　靜態電流 是指在無負載或輕負載情況下，穩壓器自身消耗的電流。對于電池供電的應用，低靜態電流非常重要，因為它直接影響電池的續航時間。LM1117 的靜態電流通常在幾毫安到幾十毫安之間。

　　6. 溫度穩定性 (Temperature Stability)

　　描述輸出電壓隨溫度變化而變化的程度。通常以 ppm/°C 或 mV/°C 表示。高質量的穩壓器應具有良好的溫度穩定性。

　　7. 負載調整率 (Load Regulation)

　　衡量當負載電流從最小變化到最大時，輸出電壓保持穩定的能力。通常以 mV 或百分比表示。理想情況下，負載調整率為 0。

　　8. 線性調整率 (Line Regulation)

　　衡量當輸入電壓在指定范圍內變化時，輸出電壓保持穩定的能力。通常以 mV 或百分比表示。理想情況下，線性調整率為 0。

　　LM1117 典型應用電路

　　1. 固定輸出電壓應用

　　對于固定輸出電壓的 LM1117，電路連接非常簡單，如圖所示：

　　VIN -----+         |         |      [LM1117]      |      |      | VIN  VOUT      |      |      | GND  |      +------+----- C_OUT ----- VOUT (to Load)      |      --- GND (Common Ground)     C_IN      |      --- GND

　　VIN：連接到未穩壓的輸入直流電源。

　　VOUT：輸出穩定電壓。

　　GND：直接連接到公共地。

　　C_IN (輸入電容)：通常為 1uF 到 10uF，用于濾除輸入噪聲和提供瞬時電流。應盡可能靠近 VIN 引腳。

　　C_OUT (輸出電容)：通常為 10uF 或更大，用于穩定輸出電壓、改善瞬態響應和抑制紋波。應盡可能靠近 VOUT 引腳。

　　2. 可調輸出電壓應用

　　對于可調輸出電壓的 LM1117，需要一個外部電阻分壓器來設定輸出電壓，如圖所示：

　　VIN -----+         |         |      [LM1117]      |      |      | VIN  VOUT      |      |      | ADJ  |      +------+----- C_OUT ----- VOUT (to Load)      |      |      |      R2      |      |      |      +-- VOUT (Sense Point)      |      |      |      R1      |      |      +------+----- GND (Common Ground)     C_IN      |      --- GND

　　VIN：連接到未穩壓的輸入直流電源。

　　VOUT：輸出穩定電壓。

　　ADJ：調整引腳。

　　C_IN (輸入電容)：同固定版本。

　　C_OUT (輸出電容)：同固定版本。

　　R1 和 R2 (分壓電阻)：這兩個電阻構成一個分壓器，將 VOUT 的一部分反饋到 ADJ 引腳。

　　輸出電壓的計算公式為：V_OUT=V_REFtimes(1+fracR2R1)+I_ADJtimesR2

　　其中 V_REF 是 LM1117 內部的基準電壓（通常為 1.25V）。

　　I_ADJ 是流經 ADJ 引腳的偏置電流，它是一個小電流（幾十微安），但在某些情況下（尤其是在 R2 值很大時）也需要考慮。為了簡化設計，通常選擇 R1 和 R2 的組合，使得流過分壓器的電流遠大于 I_ADJ (例如，使流過 R1 和 R2 的電流至少是 I_ADJ 的 100 倍)，這樣 I_ADJtimesR2 項的影響就可以忽略，簡化為 V_OUT=V_REFtimes(1+fracR2R1)。

　　通常選擇 R1 為 100Ω 到 1kΩ 之間，然后根據所需的 V_OUT 和 V_REF 計算 R2。

　　C_ADJ (調整引腳電容)：雖然圖中未明確標出，但通常建議在 ADJ 引腳和地之間并聯一個 10nF 到 100nF 的電容（對于可調版本），以改善噪聲抑制和提高電源抑制比 (PSRR)。這個電容可以濾除來自 ADJ 引腳的噪聲，從而提高輸出電壓的穩定性。

　　設計注意事項與最佳實踐

　　正確使用 LM1117 不僅僅是連接引腳，還需要考慮一些設計細節和最佳實踐，以確保其性能和可靠性：

　　1. 散熱設計

　　線性穩壓器通過耗散多余的功率來維持輸出電壓，這些功率以熱量的形式散發。耗散功率 P_D=(V_IN?V_OUT)timesI_OUT。

　　如果耗散功率過大，芯片內部溫度會急劇上升，可能觸發過熱保護，導致輸出電壓不穩定或芯片損壞。

　　封裝選擇：TO-220 和 TO-263 封裝的散熱能力優于 SOT-223 和 SOT-89。對于需要較大輸出電流或輸入-輸出壓差較大的應用，應優先選擇散熱性能好的封裝。

　　PCB 布局：在 PCB 上為 LM1117 的輸出引腳（通常與散熱片連接）留出盡可能大的銅箔面積，作為散熱通路。這被稱為“熱敷銅”或“散熱焊盤”。銅是優良的導熱材料，更大的銅面積可以幫助將熱量從芯片傳導出去。

　　散熱器：在極端情況下，如果僅靠 PCB 散熱不足以將芯片溫度控制在安全范圍內，可能需要額外安裝金屬散熱器。TO-220 封裝尤其適合配合散熱器使用。

　　環境溫度：環境溫度越高，芯片的散熱能力越差，需要更加關注散熱設計。

　　2. 輸入/輸出電容的選擇與放置

　　低 ESR：LDO 對輸出電容的 ESR 有特定的要求。過高或過低的 ESR 都可能導致穩壓器振蕩。請仔細閱讀數據手冊中關于 ESR 范圍的建議。鉭電容器通常具有合適的 ESR，但許多現代陶瓷電容器（特別是 X5R 或 X7R 介質）也可以滿足要求，但需要注意其電容值隨直流偏壓的變化特性。

　　放置位置：輸入和輸出電容器應盡可能靠近 LM1117 的相應引腳放置。理想情況下，它們應該在芯片的 1-2 厘米范圍內。這樣可以最大限度地減小 PCB 走線的寄生電感和電阻，從而提高電容的濾波效果和穩壓器的穩定性。

　　接地：所有電容器的接地端應連接到穩壓器的 GND 引腳，并且連接路徑應短而寬，以減小接地阻抗。

　　3. 接地路徑與噪聲

　　星形接地：為了最小化接地回路引起的噪聲和誤差，建議采用“星形接地”或“單點接地”原則。即所有連接到穩壓器的地線（輸入電容、輸出電容、負載、可調版本的分壓電阻）都應匯聚到 LM1117 的 GND 引腳附近的一個公共點，然后再連接到主地線。這樣可以避免不同電流在公共接地路徑上產生電壓降，從而影響輸出電壓的穩定性。

　　避免接地回路：避免形成大的接地回路，這會增加對外來電磁干擾 (EMI) 的敏感性。

　　4. 可調版本電阻分壓器的選擇

　　電阻精度：為了獲得精確的輸出電壓，建議使用精度為 1% 或更高的高質量金屬膜電阻器作為分壓電阻（R1 和 R2）。電阻的溫度系數也應考慮，以確保輸出電壓在不同溫度下保持穩定。

　　電阻值：選擇合適的電阻值。如前所述，流過分壓器的電流應遠大于 ADJ 引腳的偏置電流 I_ADJ。通常建議使流過 R1 和 R2 的電流至少為 I_ADJ 的 100 倍。例如，如果 I_ADJ 為 100μA，那么流過電阻的電流應至少為 10mA。如果 V_REF 為 1.25V，則 R1=V_REF/I_R1=1.25V/10mA=125Ω。然后根據所需的 V_OUT 計算 R2。如果電阻值過大，ADJ 引腳的偏置電流會對輸出電壓產生顯著影響；如果電阻值過小，會增加不必要的靜態功耗。

　　5. 啟動時間和瞬態響應

　　LM1117 的啟動時間通常在幾百微秒到幾毫秒之間，具體取決于輸入電容、輸出電容以及負載情況。

　　在負載電流突然變化時，穩壓器需要一定時間來調整，這可能導致輸出電壓出現瞬態過沖或跌落。選擇合適的輸出電容（低 ESR，足夠大的容量）可以顯著改善瞬態響應。

　　6. 輸入電壓范圍

　　務必確保輸入電壓在 LM1117 的額定工作范圍內（通常最高 15V 或 18V，具體取決于型號）。超過最大輸入電壓可能會永久損壞芯片。同時，輸入電壓必須始終高于輸出電壓加上壓差電壓。

　　7. ESD 保護

　　雖然 LM1117 內部具有一定的 ESD（靜電放電）保護能力，但在處理和安裝過程中仍應采取防靜電措施，以避免因靜電擊穿而損壞芯片。

　　LM1117 與其他穩壓器的比較

　　LM1117 是一款經典的 LDO，但隨著技術發展，市場上有各種類型的穩壓器。了解其優缺點可以幫助你做出正確的選擇。

　　LM1117 的優勢：

　　低壓差：相比于老式的三端穩壓器（如 78xx 系列），LM1117 的壓差電壓顯著降低，這意味著它在輸入電壓接近輸出電壓時效率更高，尤其適合電池供電或需要將 5V 轉換為 3.3V 的應用。

　　易于使用：三引腳設計，外部元件少，固定版本甚至只需要兩個電容即可工作，非常簡單。

　　成本效益高：作為一款成熟的產品，LM1117 的價格通常非常親民。

　　內置保護：過熱保護和電流限制功能增強了系統的可靠性。

　　LM1117 的局限性：

　　效率：作為線性穩壓器，LM1117 的效率受限于輸入與輸出電壓之間的壓差。當輸入電壓遠高于輸出電壓時，大部分多余的功率會以熱量形式散失，導致效率低下。例如，從 12V 穩壓到 3.3V 時，效率約為 3.3V/12Vapprox27.5。在這種情況下，更高效的開關穩壓器（如降壓轉換器）是更好的選擇。

　　散熱：高壓差或大電流輸出時，散熱成為一個主要的設計挑戰。

　　PSRR：在高頻下的 PSRR 相對一般，對于噪聲敏感的應用可能需要額外的濾波措施。

　　輸出電流限制：雖然 800mA 對許多應用來說足夠，但對于驅動更高功率負載的應用則需要更大電流能力的穩壓器。

　　何時選擇 LM1117？

　　輸入-輸出壓差小：例如，從 5V 穩壓到 3.3V，或從 3.3V 穩壓到 2.5V。

　　對噪聲敏感的應用：線性穩壓器相比開關穩壓器，輸出紋波和噪聲通常更低。

　　成本敏感型設計：LM1117 成本較低。

　　電路板空間允許：特別是需要散熱器時，可能需要更多空間。

　　對效率要求不極致，或功耗較低：如果整體功耗在可接受范圍內，并且散熱問題可以解決。

　　何時考慮其他方案？

　　大輸入-輸出壓差：例如，從 24V 穩壓到 3.3V。此時應優先考慮降壓型開關穩壓器（Buck Converter），其效率可達 90% 以上。

　　需要更高電流：超過 LM1117 額定電流的應用。

　　對整體系統效率要求極高：尤其是在電池供電系統中，為了延長續航時間，開關穩壓器通常是首選。

　　需要升壓或降壓-升壓功能：如果輸入電壓可能低于或高于目標輸出電壓，則需要升壓 (Boost) 或降壓-升壓 (Buck-Boost) 轉換器。

　　總結

　　LM1117 是一款經典且廣泛使用的低壓差線性穩壓器，以其簡單易用、低成本和良好的穩壓性能而受到工程師的青睞。理解其三引腳（Adj/GND、VOUT、VIN）的功能，以及內部基準電壓源、誤差放大器、串聯調整元件和保護電路的工作原理，是正確應用它的基礎。

　　在設計過程中，務必關注散熱管理、輸入/輸出電容的選擇與布局、接地路徑的優化以及可調版本電阻分壓器的精度。雖然 LM1117 具有諸多優點，但在面對大壓差、高電流或對效率有極致要求的場景時，也應考慮更先進的開關穩壓器方案。

　　掌握 LM1117 的特性和應用，將使其成為你電源設計工具箱中一個非常有力的工具。通過仔細閱讀其數據手冊，你可以獲得最準確和最新的參數信息，并確保你的設計符合芯片的推薦工作條件。