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）
