作者：Bird
穩壓電源是我們在製作各種 maker 專案時不可或缺的零件。在不需要升壓、不需要高效率的場合，簡單的線性穩壓 IC 通常是很好的選擇。這次我們就來聊聊線性穩壓電源 IC：它怎麼工作、我們要如何讓它好好工作、以及如何選擇可以乖乖工作的線性穩壓電源 IC。
降壓
我們最常用到線性穩壓電源 IC 的場合，就是用來降低電源的電壓。以 Arduino Uno 為例，它原廠的電源供應器是一個 12 V 的 adapter，但板子上的電路需要的電源電壓是 5 V，因此我們需要用一個電源 IC 把 12 V 降到 5 V。在 Aduino Uno Rev. 3 上面，這個工作是由一顆叫做 NCP1117ST50T3G 的線性穩壓電源 IC 在負責的，如下圖所示：
Aduino Uno Rev. 3 降低電源電壓由 NCP1117ST50T3G 的線性穩壓電源 IC 負責
線性穩壓 IC 是如何把 12 V 的電源變成 5 V 呢？說穿了其實很簡單，它用「電阻」把能量消耗掉，讓流過電阻時產生的壓降，剛剛好可以把輸入電壓降到我們需要的輸出電壓，就達成降壓的任務了。
「那我放個電阻不就好了，幹嘛這麼麻煩用穩壓 IC？」
嗯，這是個好問題。你知道該放多大的電阻，才會達成你要的壓降嗎？我們來算算看。根據歐姆定律，電阻上的壓降跟流過電阻的電流成正比：
V ＝ I＊ R
也就是說，流過的電流越大，電阻上的壓降就越大。假設 Aruino 板子上的消耗的電流是 300 mA，根據前面的推導，我們需要 7 V 的壓降才能把 12 V 降成 5 V，因此需要放的電阻大小是：
7 ＝ 0.3 ＊ R
R ＝ 23.333…
也就是在耗電 300 mA 的狀況下，我只需要串一個 23.3 歐姆左右的電阻就可以有 5 V 的電源。事情當然沒有那麼簡單，前面這個計算的前提是 Aruidno 的耗電「一直」是 300 mA，那個電阻才能夠產生 7 V 的壓降。但如果 Aruino 沒有耗這麼多電呢？比如說，它現在就是很清閒，只耗了 100 mA 的電，那麼在 23.3 歐姆電阻上的壓降就變成：
V ＝ I * R = 0.1 * 23.3 = 2.33（V）
12 V 扣掉 2.33 V 的壓降，還有 9.67 V，也就是說在電阻不變的狀況下，如果耗電減為 100 mA，送往 Arduino 的電壓會高達 9.67 V，這個電壓大概足夠把板子上大部分的零件燒光光，甚至你會看到有東西冒煙。
事實上像 Arduino 這麼複雜的數位系統，它工作時的耗電是不斷在變動的，而且變動的速度非常快。除了 ，MCU 本身的耗電會隨著執行的速度、指令不同而有變化外，板子上的其它周邊也會影響耗電。我們點亮一顆耗電 5 mA 的 LED，耗電就會增加 5 mA。我們如果用 500 Hz 的 PWM 頻率去驅動 LED，LED 就會以每秒 500 次的速度在開跟關之間切換，耗電也就會以同樣的速度在 5 mA 跟 0 之間變動。
控制
為了對付變動的耗電電流，用來降壓的電阻也得跟著變動才行。線性穩壓 IC，就是一顆會隨著負載電流變動的電阻：
線性穩壓 IC 其實是一顆會隨著負載電流變動的電阻
實務上，那個會變動的電阻是一顆很大的電晶體，可能是 BJT，也可能是 MOSFET，取決於穩壓 IC 的設計及製程。舉個例子，三隻腳的 LM7805 是一顆很常用的 5V 穩壓 IC，從某些 datasheet 上我們可以看到它的方塊圖：
LM7805 的 datasheet 示意圖
圈起來的地方就是那個受電壓比較及控制電路控制的電晶體，以 LM7805 來說，它是一對達靈頓結構的 NPN BJT。驅動這個電晶體的訊號來自前面一個電壓比較器。
比較器是這麼運作的：它會把輸出電壓跟一個參考電壓做比較，當輸出電壓高於參考電壓時，就把水龍頭關小一點，也就是把輸出電晶體關小一點，此時電晶體的等效電阻就會變大，輸出電壓就會下降。如果輸出電壓比參考電壓低，它就把水龍頭開大一點，也就是把輸出電晶體開大一點，這時輸出電壓就會變高。
在這高高低低的過程中，總會找到一個平衡點，讓當下的輸出電晶體開啟的程度剛好讓輸出電壓跟參考電壓一樣。以上這個過程，它有個很酷的名字，叫「負回授閉環路控制系統」（negative-feedback closed-loop control system）。世界上大部分的控制系統其實都是這個樣子的，當然細節裡還藏有很多魔鬼。
速度
這裡面最讓人頭痛的一隻魔鬼就是速度：這個控制系統的反應速度。
當電壓比較器偵測到輸出電壓有變化，偏離了參考電壓之後，它總是需要一點時間去反應，去調水龍頭。這個反應的速度，一般稱之為這個穩壓 IC 的速度。如果我們的負載變動的速度很快，就需要一個反應速度很快的穩壓 IC。如果我們負載變動的速度比較慢，那也許比較慢的穩壓 IC 就能夠勝任。
在一些穩壓 IC 的 datasheet 上，常常可以看到這樣的圖：
穩壓 IC 的 datasheet 示意圖
這張圖叫做 transient load response，它是告訴你當負載的電流有變化時，這顆穩壓 IC 反應的速度。以這張圖來說，負載電流突然從 0.5 A 增加到 2 A 時，穩壓 IC 的輸出會下降 120 mV 左右，然後因為控制電路的反應，他會在 3 uS 內回升到原來應有的電壓輸出水準。（輸出電壓測量使用 AC coupling，我們只看得到變化量，看不到絕對電壓）。如果你的負載不能承受 3 uS 左右的低電壓，就代表這顆穩壓 IC 對你的負載來說太慢了，你需要找一顆反應更快的穩壓 IC 來伺候敏感的負載。因此穩壓 IC 的速度並不是絕對的，而是相對的，端看負載的需求和特性。
大部分的穩壓 IC 都會有輸入電容器和輸出電容器。以 LM7805 來說，它的參考電路長這樣：
LM7805 的參考電路圖
0.33 uF 那個輸入電容器會影響穩壓 IC 在輸入變動時的反應速度，而 0.1 uF 的輸出電容器會影響它在負載變動時的表現。原則上，電容器的容量越大，穩壓 IC 的輸出會越穩定，在輸入或是負載變動時輸出電壓的上升、下降幅度會越小，因此 datasheet 建議的輸入、輸出電容器多半是最小值。也有一些比較特殊的穩壓 IC 可以不靠輸出電容器運作，不過那已經超過本文的討論範圍了。
最小壓降
在穩壓 IC 的 datasheet 中我們會看到一個叫做 dropout voltage 的規格，它的單位是電壓。這個規格是告訴我們這顆穩壓 IC 要能穩定工作的話，它的輸入至少要比輸出高多少電壓。引為穩壓 IC 在工作時就像是一個用電晶體模擬出來的、不斷在變動的可變電阻。但這個可變電阻不可能完全變成 0，就算是非常優秀的 power MOSFET 在導通時，也會有一點點的導通電阻，而 BJT 的話則會有 C-E 飽和電壓從中作梗，因此線性穩壓 IC 的輸出電壓一定比輸入電壓低。而它所能達到的最小電壓差，往往是我們選擇線性穩壓 IC 的重要參數。
舉例來說，我的電源是一個 3.6 V 的三顆串聯鎳氫電池，而負載需要的工作電壓是 3.3 V。如果我選了一顆 dropout voltage 是 0.5 V 的穩壓 IC，就代表我餵給它 3.6 V 的輸入電壓時，就算完全沒有負載，它的輸出電壓最高也只能有 3.1 V，無法達到 3.3 V。很顯然這顆穩壓 IC 就無法用在這個設計中。
現在很多設計都是以電池為電源，為了不浪費能量，低壓差的線性穩壓器在這些設計中扮演很重要的角色。常常看到一些文件中提到 LDO regulator，指的就是這種低壓差（low dropout）穩壓器。
效率
很久以前曾經有工程師問我：「我的 LDO regulator 好熱啊，能不能幫我推薦別的效率比較好的穩壓 IC 呢？」
鄉親啊，這裡一定要非常強調一個觀念：線性穩壓器沒有效率可言，完全沒有。
前面提過，線性穩壓器是用電晶體模擬一個會變化的電阻來調整電壓，電壓會下降的原因就是能量在電晶體上消耗掉變成熱了，因此線性穩壓器一定會發熱。至於它發多少熱，只取決於輸入和輸出之間的電壓差，以及流經它的電流。電阻上的功耗可以用這個式子來表示（這其實是另一種形式的歐姆定律）：
P＝IV = I2R = V2/R
也就是說，不管你用的是什麼線性穩壓 IC，它會發多少熱，完全由電壓差和電流來決定，跟 IC 本身的特性、功能完全沒有關係。因此世界上不存在「效率比較好的線性穩壓 IC」這種東西，線性穩壓 IC 的效率是由電壓差、電流大小決定的。
因此線性穩壓 IC 一般來說不是很適合用在電壓差很大的設計中，因為當輸入和輸出之間的電壓差很大時，只要一點點電流就會讓線性穩壓 IC 上有相對大的功耗，變得很熱。
小結
看完這篇文章，希望讀者們能對線性穩壓 IC 的工作原理有一點點基本的認識。當然線性穩壓 IC 還有很多其它的功能和特性可以研究、探討。建議讀者們以這裡當作出發點，多去了解 datasheet 中說明的各種規格和應用，慢慢地更深入去掌握線性穩壓 IC，便能在各種設計中更上一層樓。
（責任編輯：葉于甄）
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