作者：Bird
上一回【Maker 電子學】漫談電源系統的原理與設計—PART 6，我們談了穩壓 IC 中，回授控制電路的穩定性，並且簡單地說明了 phase margin 和 loop gain 這兩個用來衡量、分析回授電路穩定性的參數。
這一回我們要來看一些實際的線性穩壓 IC 電路設計，將我們這幾次所學到的知識做個總結。
簡單的例子 #
我們先從一個最簡單的例子開始。
假設我們想設計一個用 ESP-8266 的模組——ESP-12E 驅動的 Wi-Fi 裝置，用 USB 供電，該怎麼設計這個電源系統呢？
（圖片來源：Bird 提供）
根據 ESP-12E 模組的 datasheet，它可以接受的電源電壓是 3.0 V – 3.6 V，建議值是 3.3 V，但耗電就比較複雜了，這種複雜的 SoC 又有 RF 系統，在不同的工作條件下，耗電電流會有很大的不同，不過 datasheet 上多半會給我們一些參考數值：
（圖片來源：Bird 提供）
從表中可以看出來，ESP8266 在 802.11 b 的發射模式、使用 CCK 調變、發射功率 17 dBmW 時，耗電電流會到 170 mA；而接收時的耗電不管是 802.11 b 還是 802.11 g/n，都在 50 mA 上下。
在 Modem-Sleep，也就是通訊的部分關閉時，耗電只有 15 mA，因此我們可以知道 ESP8266 主要的耗電還是在 Wi-Fi 的部分，它裡面的 Tensilica L106 處理器其實還蠻省電的。由於我們的目標電路裡可能不只 ESP-12E 模組，還會有一些周邊零件，因此在估計最大電流時還是抓寬鬆一點，就設定 200 mA 好了。
標準 USB port 的供電能力是 5 V/500 mA，因此供電電流足夠 ESP-12E 模組使用。
我們現在需要一個 5V 轉 3.3 V 的線性穩壓器來產生這個 3.3 V，最大 200 mA 的電源。
效率與功耗 #
我們先來算一下效率。咦？還沒決定穩壓 IC 用哪一顆就能算效率嗎？沒錯，線性穩壓電路其實沒有什麼效率可以探討，它上面的消耗功率只跟輸入和輸出的電壓差以及總電流大小有關，因此選什麼 IC 對效率的影響不大。
這個電源的最大功耗會發生在負載最大時，也就是電流 200 mA 時，這時的功耗是：
PD =（VIN-VOUT）* IOUT = （5 V – 3.3 V）* 0.2 A = 0.34 W
知道功耗之後就可以來計算效率，所謂效率就是輸出功率與輸入功率的比值。線性穩壓器由於是用「消耗」的方法將電壓調整到目標電壓，它的輸入電流等於輸出電流，因此效率只受到電壓差的影響。這個電路的效率是：
Efficiency = POUT / PIN =（3.3 V * 200 mA） /（5 V * 200 mA）
可以看到上面式子中，200 mA 那一項會消掉，因此效率就只跟電壓有關了。這個電路的效率就是 3.3 / 5 = 66%。
接下來我們要選 IC。前幾回常常拿來做例子的 78 系列穩壓 IC 最低的輸出電壓只到 5 V，沒有 3.3 V 可以用的型號。我們之前還提過一個線性穩壓 IC，叫做 LM1117，它的最低輸出電壓可以設定到 1.25 V，也有許多固定電壓的版本。
（圖片來源：Bird 提供）
LM1117 也是一個已經標準化多年的電源 IC，許多半導體供應商都有製造。接下來我們就以 TI 的 datasheet 來帶讀者看看設計時需要注意的關鍵參數。
TI 的 LM1117 有幾種不同的封裝：SOT-223、TO-220、TO-252、TO-263、以及 WSON。其中 TO-220 是傳統的插腳式封裝，其它的都是 SMT 封裝。原則上形狀相近的封裝，越大顆的散熱越好、熱組越低。WSON 則是較新的無接腳式 SMT 封裝，這種封裝的底部有一個直接與內部半導體晶粒（die）直接相連的焊點，可以迅速的將熱源導至 PCB 上，因此它雖然不大，但卻有優良的散熱結構。
Datasheet 中有列出不同封裝的熱阻，我們可以根據熱阻以及消耗功率來計算穩壓 IC 是否工作在允許的溫度。
（圖片來源：Bird 提供）
我們以 SOT-223 爲例，它的晶片對環境熱阻（TJA或 θJA）是每瓦 61.6 ℃。我們前面算過，這個穩壓電路最大的功耗是 0.34 W，因此它的晶片對環境溫升就是：
0.34（W）* 61.6（℃/W）= 20.9 ℃
也就是說，當這個穩壓電路在滿載下工作時，它的晶片溫度會比環境溫度高 20.9 ℃；如果環境溫度是 25 ℃，晶片的溫度就會是 25 + 20.9 = 45.9℃。這個溫度還遠低於晶片的最高工作溫度，因此 SOT-223 封裝對我們這個消耗功率來說就已經足夠，不需要選用散熱更好（通常也比較貴）的封裝。
壓差 #
接下來我們要看 LM117 工作時的最小壓差（dropout）是否符合這個電路的要求。我們要從 5 V 降到 3.3 V，因此壓差就是 5.0 – 3.3 =1.7（V）。
LM1117 的最小工作壓差是多少呢？DatashDeet 裡面這樣寫：
（圖片來源：Bird 提供）
最小工作壓差會隨著電流和溫度改變，原則上電流越大，所需要的最小壓差就會越大；溫度越高，所需要的最小壓差也會越大。從上表得知，在輸出電流 500 mA，以及 0 到 125℃ 的晶片溫度下，LM1117 所需要的最小壓差是 1.25 V，小於我們電路的壓差 1.7 V，因此 LM1117 可以在這個 5 V 轉 3.3 V 的設定之下工作。
電壓設定 #
如果我們使用固定電壓版本的 LM1117-3.3 來輸出 3.3 V，只要將 ADJ 接地，讓 LM1117-3.3 內部有正確的參考電壓，就可以輸出 3.3 V 了。
（圖片來源：Bird 提供）
但如果我們是用可調電壓版的 LM1117-ADJ，就需要額外兩個電阻來產生 ADJ 接腳所需要的電壓：
（圖片來源：Bird 提供）
LM1117-ADJ 的回授參考電壓是 1.25 V，因此我們要用 R1、R2 這兩個電阻分壓產生 1.25 V 的電壓，讓 LM1117 與參考電壓比較。
不過由於 LM1117-ADJ 並沒有接地，它怎麼知道 1.25 V 是從那裡算起呢？
事實上 LM1117-ADJ 的內部整體參考電位是以它的輸出電壓爲基準，這一點我們可以從 datasheet 中揭露的內部功能方塊圖得知：
（圖片來源：Bird 提供）
因此 LM1117-ADJ 的「穩壓」並不是穩定 VOUT 與 GND 之間的電壓（它根本不知道 GND 在那裡），而是穩定 VOUT 與 ADJ 腳之間的電壓。LM1117-ADJ 會調節它的輸出，使得 VOUT 與 ADJ 之間的電壓差恆爲 1.25 V。
R1 和 R2 所串連成的分壓電路，R1 上的跨壓是 VOUT *（R1/(R1+R2)），正好就是 VOUT 到 ADJ 腳之間的電壓。
因此我們設定這個電壓爲 1.25 V，得到這個方程式：
1.25 V = VOUT *（R1/(R1+R2)）
把它整理一下：
VOUT = 1.25 * （(R1 + R2) / R1）= 1.25 *（1 + (R2 / R1)）
因此我們可以用 R2/R1 的比值來決定輸出電壓。我們要輸出爲 3.3 V，就可以用 R1 = 220 Ω、R2 = 360 Ω：
VOUT = 1.25 *（1 + (220 / 360)）= 1.25 * 2.63 = 3.295 V
既然輸出電壓只由 R1、R2 的比值決定，那我們用 2.2 K、3.6 K，甚至 22 K、36 K 可以嗎？原則上可以，但會有額外的問題。
首先是 ADJ 接腳其實會有個小小的電流從 LM1117-ADJ 內部流出來，經過 R2 到 GND。
（圖片來源：Bird 提供）
這個電流會在 R2 上建立一個電壓，讓 ADJ 腳的電壓比預期高。因此在 IADJ 的推波助瀾下，輸出電壓就會變成：
VOUT = 1.25 *（(R1 + R2) / R1）+ IADJ * R2
IADJ 有多大呢？根據 datasheet，其實很小：
（圖片來源：Bird 提供）
典型值只有 60 uA，最壞的狀況也只有 120 uA。當 R2 很小時， IADJ 跟 R2 的乘積就很小。以前面的例子來說，當 R2 是 360 Ω 時，這個額外的電壓偏離是：360 Ω * 60*10-6 A = 0.0216 V = 21.6 mV。
但如果我們用 22 K/36 K 這個組合時，由於 R2 變成 100 倍，R2 上面由 IADJ 造成的額外電壓也就變成 100 倍：36000 Ω * 60*10-6 A = 2.16 V，這個電壓已經大到讓這個穩壓電路完全失控了。
因此在設計像 LM1117-ADJ 這種回授電壓偵測腳上的電流並非小到完全可以忽略的穩壓 IC 時，電壓回授的電阻不能放太大，否則會因爲 ADJ 腳上的電流造成額外的電壓偏移。
輸入與輸出電容 #
根據 LM1117 的 datasheet， 輸入電容並非必須，但是建議要有。一顆 10 uF 的鉭質電容可以應付絕大多數的應用。
至於輸出電容就很重要了，它在 LM1117 的整體回授電路中扮演很重要的角色，因此一定要照 datasheet 中的要求下去設計。LM1117 對輸出電容的要求是至少要 10 uF 的鉭質電容，容量越大，對輸出的穩定性和整體的反應速度都有正面的幫助。
鉭質電容是電解電容的一種，它的特性很接近一般常用的鋁電解電容，但密度更高，因此同樣耐壓、同樣容量的鉭質電容會比鋁電解電容要小。
電容器除了容量以外，在擔任濾波角色時，有一個很重要的特性叫做等效串聯電阻（ESR，equivalent series resistor）。因爲電容器的極板、導線、封裝都有電阻，因此現實世界中的電容器一定像是有個小小的電阻串聯在它上面，這就是電容器的 ESR。
ESR 會影響電容器的充放電特性，ESR 越大，電容器充電、放電越慢，在電容器上的能量損耗也越大。電解電容由於結構與化學特性的關係，ESR 比較大，通常在幾歐姆左右；陶瓷電容的 ESR 比電解電容小很多，大概在零點零幾歐姆的範圍，甚至更低。
由於 ESR 會讓電容器在充放電時損耗能量，因此穩壓電源的輸出電容器應該要使用 ESR 儘量低的電容器。現代的電源 IC 多半都會指定使用陶瓷電容做爲輸出電容器。
不過由於 LM1117 是一顆很老的電源 IC，在 LM1117 誕生的那個年代，大容量的陶瓷電容還不普遍，並不常使用在穩壓電源的輸出電容上，因此 LM1117 內部的回授電路是針對鉭質電容或鋁電解電容來設計的。
它的 datasheet 中有提到，LM1117 必須搭配 ESR 在 0.3 Ω 到 22 Ω 的輸出電容，而幾乎所有的陶瓷電容 ESR 都遠小於這個範圍，因此使用像 LM1117 這種有一點年紀的電源 IC 時，不能用陶瓷的輸出電容，否則可能會造成回授電路的不穩定。
小結 #
這回我們以 LM1117 爲例子，說明了在選用一顆線性穩壓 IC 時需注意的設計參數，並介紹了功耗、壓差、電壓設定等計算，以及輸出電容的選擇。
但 LM1117 畢竟是一顆比較老的 IC，它的很多特性並不符合現今的主流零件市場，因此下一回我們會以較新的電源 IC 爲例，繼續介紹線性穩壓電源的選擇與設計，也順便看一下利用電作爲電源時，該注意的事項。
（責任編輯：賴佩萱）
