【Maker 電子學】漫談電源系統的原理與設計—PART 3

作者:Bird

上一回【Maker 電子學】漫談電源系統的原理與設計—PART 2,我們用一個電路做例子,說明了爲什麼沒有穩壓的電源在變動的負載下會衍生許多問題,並用一個簡單的電路說明了線性穩壓器的原理與結構。這一回我們要來介紹實際的線性穩壓 IC,它面對負載及輸入變化時的反應,以及它的規格中很重要的兩個特性:load regulation 與 line regulation。

三端子穩壓 IC

(圖片來源:Bird 提供)

上回我們最後介紹的電路中,提到穩壓電路就是由一個偵測、控制電路,與一個受它控制的電晶體構成。實務上這個電晶體通常蠻大的,因爲它就像一個受控的可變電阻,需要承受穩壓電路工作時,降低電壓所消耗的功率。隨著穩壓 IC 的製程與結構不同,它有可能是 BJT,也有可能是 MOSFET。

最簡單的穩壓 IC 至少需要三支腳:輸入、輸出、與接地。輸入與輸出不用說,這兩支腳當然不能少,而之所以需要接地腳位,是因爲穩壓 IC 需要一個測量電壓的參考,才能維持輸出電壓的穩定。穩壓 IC 的工作其實就是「藉由調整電晶體的導通量大小,維持輸出腳到地之間的電壓在特定的值」。

這種三隻腳的穩壓 IC 最常見也曾經被廣泛使用的,大概就是 78 系列的穩壓 IC,而且在邏輯電路的電壓還是 5V 的那個年代,7805 這顆 5 V 的穩壓 IC 幾乎是大部分電子電路設計者第一顆接觸的穩壓 IC。

7805 最常見的包裝就是 TO-220,長得像一顆功率電晶體:

(圖片來源:Bird 提供)

典型的 7805 電路還需要兩顆電容器,分別接在輸入腳和輸出腳到地之間,因此最簡單的電路長這樣:

(圖片來源:Bird 提供)

這兩顆電容器稱之爲「濾波電容」,依據供電電流的大小會有從 0.1 uF 到數個 uF 不同的選擇。接在輸入腳上的濾波電容在輸入電壓變化時,能幫助 7805 工作得更穩定,而接在輸出腳上的濾波電容則可以幫助 7805 對抗負載的變化。

當輸入電壓和負載電流變化而穩壓 IC 還沒開始調整時,都會造成輸出電壓的變化,而穩壓 IC 內部的電壓監測電路會偵測到這個變化,並根據變化的大小和方向,去調整穩壓 IC 內部電晶體的導通大小來抵消這個變化,以維持電壓的穩定。

當負載的電流變大時,輸出的電壓會降低,穩壓 IC 就要把裡面的電晶體開大一點,讓穩壓 IC 上的壓降變小,才能維持輸出電壓的穩定。反過來說,當負載的電流變小時,輸出的電壓就會升高,穩壓 IC 就要把裡面的電晶體關小,增加它上面的壓降,才能維持輸出電壓的穩定。

面對輸入電壓的變化也是一樣的原理:當輸入的電壓變高時,輸出的電壓會一起變高,穩壓 IC 要把裡面的電晶體關小一點,讓它上面的壓降變大;當輸入的電壓變低時,輸出的電壓會變低,穩壓 IC 要把裡面的電晶體開大一點,讓它上面的壓降小,以維持輸出電壓的穩定。

這裡有一件很弔詭的事:我們希望穩壓 IC 能把輸出「穩定」到不會變化,但由於穩壓 IC 內部的電壓監測電路必須要偵測到輸出電壓有所變化,才能「知道」需要做什麼調整,因此世界上並沒有一種穩壓 IC 可以真的讓輸出電壓完全不會變動。任何的穩壓 IC 都需要可偵測的輸出電壓變動,作爲內部控制電晶體導通量的依據。理想上我們會希望穩壓 IC 能對輸出電壓的微小變化很敏感,只要一點點風吹草動,穩壓 IC 就能偵測得到,並加以修正。

Load Transient Response

穩壓 IC 面對負載變動時的反應能力,稱之爲它的「load transient response」。在某些版本的 7805 datasheet 上可以看到這樣的圖:

(圖片來源:Bird 提供)

這是一顆 7805 在負載變化時的反應。當負載從 0 突然增加到 2 A 時,我們可以看到它的輸出電壓往下掉了大概 0.5 V 左右。7805 內部的電壓監測電路偵測到這個變化後,它就會開始調大內部電晶體的導通量,因此輸出電壓就會開始回升,在大約 20 us 左右的時間內,輸出電壓就回到了正常的電壓。

當負載從 2 A 突然降回 0 時,我們可以看到輸出電壓的波形上出現了一個差不多也是 0.5 V 的小山峰。7805 內部的電壓監測電路偵測到這個變化後,它就會開始調小內部電晶體的導通量,因此輸出電壓就會開始下降,在大約 10 us 左右的時間內回到 5 V。

10 us 這樣的時間,就是 7805 在負載從 0 到 2 A 或是 2 A 變到 0 時所需要的反應時間。這個時間越短,我們就說這個穩壓 IC 反應越快。而 0.5 V 這個電壓的變化,則稱之爲 7805 在這個狀態下(輸入 10 V、負載從 0 變到 2 A)的「load regulation」。

接在輸出端的濾波電容,可以幫助改善 7805 的 load transient response。濾波電容就像一個水庫,在外部電壓高於電容器裡面的電壓時,會讓電荷流進去,儲存在裡面;當外部電壓低於電容器的電壓時,則會釋放裡面的電荷出來。因此,當負載電流增加造成輸出電壓下降時,它會釋放裡面的電荷出來,幫助穩壓 IC 提供能量給負載,讓穩壓 IC 有較充裕的時間增加輸出、回到設定的電壓,因此通常加大輸出電容,能夠讓負載增加所造成的那個小山谷深度變淺。

但當負載降低時,輸出濾波電容裡的電荷反而會變成幫兇,讓輸出維持在較高電壓的時間拉長,直到穩壓 IC 調低輸出、同時電容裡過剩的電荷也用完,才會讓輸出電壓回到設定的目標值。因此無限制的增大輸出電容,並不一定能完全改善穩壓 IC 的輸出性能。

大部分的線性穩壓 IC,包括 7805,在遇到負載變小、偵測到輸出電壓過高時,都只能調低輸出,在很極端的情況下最多也只能關閉輸出,讓負載自己把濾波電容中過剩的電荷用掉,才能讓輸出電壓回到目標值。不過有一些特殊的線性穩壓 IC 爲了讓負載變小時的反應也夠快,還會在內部設計放電的路徑,在輸出電壓過高且負載又來不及把過剩的電荷用掉時,利用內部的放電路徑來消耗濾波電容上的電荷,這時電流就會向內流入穩壓 IC。這種比較罕見的線性穩壓 IC 我們稱之爲有「sinking」能力的線性穩壓 IC,通常是用來面對負載變化很大而且變化速度很快的應用。

嚴格來說 7805 並不需要輸出濾波電容也能工作,但是輸出濾波電容可以幫助 7805 對抗負載變化,讓它在負載變化時的電壓變化更小。有些速度很快的線性穩壓 IC 就對濾波電容有比較嚴格的要求,如果沒有加上適合的濾波電容,甚至有可能讓穩壓 IC 震盪、不穩定。

Line Transient Response

看完了負載變化的情況,我們再來看看 7805 面對輸入電壓變化時的反應。這張圖叫做「line transient response」,「line」指的就是它的輸入端:

(圖片來源:Bird 提供)

當輸入電壓從 10 V 變成 15 V 時,可以看到 7805 的輸出電壓上升了 10 mV,然後在大概 0.5 us 左右的時間內,由於它內部的電壓監控電路偵測到輸出電壓上升,而將輸出電晶體的導通量調小,讓輸出電壓回到正常的電壓。當輸入電壓從 15 V 變回 10 V 時,它的輸出電壓也隨即掉了 10 mV。它內部的電壓偵測電路偵測到這個變化,就調整輸出電晶體的導通,在 0.5 us 內讓輸出電壓回到正軌。

10 mV 這個電壓稱之爲 7805 在這個狀態下(500 mA 負載、輸入從 10 V 變成 15 V) 的「line regulation」,也就是輸出電壓的變化量。

由於 line regulation 與 load regulation 在不同輸入電壓及變化量、不同負載及變化量等狀況下都會有不同的表現,因此很難有一個完整的模型,datasheet 上多半會列出幾個較具有參考性的測試條件,以及在這些測試條件下的 line regulation 及 load regulation 供設計者參考,像這樣:

(圖片來源:Bird 提供)

小結

這一回我們介紹了 5 V 三端子穩壓 IC 的老祖宗 7805,並說明了穩壓 IC 面對負載及輸入變化時的反應,以及規格中很重要的兩個特性:load regulation 及 line regulation。下一回我們會繼續用 7805 爲例子,繼續探討線性穩壓 IC 其它很重要的特性:壓差、最小工作電流、以及線性穩壓 IC 的效率等因素。

(責任編輯:賴佩萱)

Bird

Author: 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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