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【Maker電子學】淺談線性穩壓電源與應用

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)

Bird

Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。
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