從晃動的電源軌到穩如磐石的一條
上一篇留給我們一條體面卻不可靠的電源軌。橋式整流器加一顆儲能電容給了我們一個坐落在峰值附近的直流位準——但它仍是一個 未穩壓電源。抽取更多電流，平均值就下垂、漣波就變大；讓市電上下浮動個一成，整條電源軌就跟著它走；而漣波永遠不會真正消失，只會變小。對加熱器或馬達而言這沒問題。但對一顆每逢谷底就重置的邏輯晶片、一個讀數騎在電源上的感測器、或一顆把漣波原封不動送到輸出的運算放大器來說，這份抖動無法接受。
這些電路要的是一個 穩壓電源：一個無論負載抽多少電流、輸入怎麼晃動，都被撐在選定值上的輸出。工程師用兩個數字為電源評分。線調整率問的是輸入改變時輸出移動得多小；負載調整率問的是負載電流改變時它移動得多小。一個好的穩壓器在這兩項上都極小——輸入擺動幾伏特、負載跳動幾安培，輸出只移動幾毫伏。本篇要打造能做到這件事的最簡單裝置：線性穩壓器。
線性穩壓器的內部：一個回授恆溫器
一個 線性穩壓器 是三個零件接成一個迴路。第一，一個穩定的電壓參考——一根固定的量尺，輸出拿來跟它比對（一顆齊納二極體，或更好的能隙參考；那是下一篇的全部主題）。第二，一個誤差放大器，通常是一顆運算放大器。第三，一顆 串聯調整電晶體，正坐落在輸入與輸出之間的主電流路徑上。把這個比喻記在腦中：調整電晶體是管路上的水龍頭，誤差放大器是握著水龍頭的手，而參考就是那隻手瞄準的目標水位。
現在看這個迴路如何安定。輸出由一個分壓器（R1 與 R2）取樣，取樣得到的分數送進放大器的反相輸入，而參考則撐住它的非反相輸入。藉由負回授——正是運算放大器那一階裡推動每一個放大器的同一個恆溫器——放大器把調整電晶體驅動到剛好讓取樣分數等於參考的程度。若輸出因為負載抓了更多電流而下沉，取樣電壓便跌到參考之下，放大器把水龍頭開得更大，輸出又爬回來。若輸出升高，放大器就收小水龍頭。它停在「取樣等於 Vref」之處，也就是 Vout = Vref times (1 + R2/R1)——正是你早已熟悉的非反相放大器代數。
LINEAR REGULATOR = a tap held by a feedback thermostat
Vin o---[ series-pass transistor Q ]---+-------o Vout
(lumpy, ^ drive | (steady)
ripples) | [ R2 ]
+----+-----+ |
| error |----------------+ <- sense node
| amplifier| (-) |
+----+-----+ [ R1 ]
| (+) |
Vref (stable GND
reference)
Loop: Vout rises -> sense rises -> amp eases Q off -> Vout falls.
Settles where sense = Vref, so Vout = Vref x (1 + R2/R1).
Example: Vref = 1.25 V, R2 = 720, R1 = 240 -> Vout = 1.25 x 4 = 5 V.這個想法最粗糙的版本根本不需要運算放大器：一顆齊納在一個 NPN 射極隨耦器的基極上設定一個固定電壓，輸出就單純地跟隨那個電壓減去一個基—射極壓降，而電晶體的電流增益把齊納的涓涓細流變成一股大的負載電流。這是同一個負回授的縮小版——基—射極接面就是誤差感測器。誠實的卡點是：輸出於是會跟著齊納的漂移、以及基—射極壓降隨溫度的抖動跑，所以它只是半穩壓。在迴路外圍包上一顆真正的運算放大器就能治好它：放大器的巨大增益意味著取樣節點上即使只有微乎其微的誤差，也足以把水龍頭完全校正，於是輸出緊咬參考的程度，遠勝任何單一接面所能做到的。
78xx 與 LM317：三隻腳的穩壓
你幾乎從不用零散的零件來搭它，因為它被裝進了單一晶片。三端穩壓器 把參考、誤差放大器、調整電晶體，以及一整套保護電路，全塞進一個只有三隻腳的小封裝裡：輸入、輸出、接地。78xx 系列是固定輸出——7805 做出 5 V、7812 做出 12 V、7833 做出 3.3 V——取樣分壓器已內建好。把一顆跨接在你的未穩壓電源軌上，兩側各加一顆小電容，你就有了一條乾淨的穩壓電源。79xx 系列為負電源軌做同樣的工作。
當你需要一個型錄沒有現貨的輸出時，就伸手拿可調的 LM317。它沒有固定的內建分壓器，而是設法把它的輸出腳與調整腳之間維持固定的 1.25 V（它的內部參考）。分壓器由你自己提供：一顆電阻 R1 從輸出接到調整，一顆 R2 從調整接到地，得到 Vout = 1.25 times (1 + R2/R1) + Iadj times R2。那個 Iadj 項是調整腳上微小的電流（約 50 微安），通常忽略。一個算例：取 R1 = 240 ohm、R2 = 720 ohm，則 Vout = 1.25 times (1 + 720/240) = 1.25 times 4 = 5 V。想改成 9 V 嗎？解 R2 = R1 times (Vout/1.25 - 1) = 240 times 6.2 ≈ 1.5 k。
壓差與 LDO
每一個線性穩壓器都共有一個卡點：輸入必須維持在輸出之上某個量，否則它就會脫離穩壓，輸出只能隨著輸入一起下垂。那個最小餘裕就是 壓差電壓。一顆經典的 7805 需要大約 2 到 2.5 V——你至少得餵它約 7 V 才能得到乾淨的 5 V 輸出。為什麼要這麼多？它的調整元件是一顆 NPN（常是達靈頓對），而驅動它的內部電路在從輸入走到輸出的過程中，花掉了兩個基—射極壓降再加上一些飽和餘裕。那筆花掉的電壓，就是這個拓撲的代價。
這在漣波的谷底以及在電池上咬得最兇。回想第 1 篇：未穩壓電源軌每個週期會兩次下沉到它的漣波谷底；輸入即使在那個最低點，也必須維持在 Vout 加壓差之上，否則漣波就會穿透到輸出。更糟的是，靠電池供電時：一顆鋰離子電池會從 4.2 V 一路掉到約 3.4 V。一顆要求 2 V 餘裕的 7805 式零件，連從 3.7 V 的電池做出 3.3 V 都辦不到——它脫離穩壓、輸出隨電池一起崩潰，白白扔掉了電池裡還剩下、本可使用好幾個小時的續航。
療方是 低壓差穩壓器，也就是 LDO。它保留同樣的回授迴路、同樣的熱算術，但把調整元件換成一顆 PNP 電晶體、或在現代零件中換成一顆 P 通道 MOSFET，它從輸入到輸出的整條路徑能飽和到極小的壓降——數十毫伏到數百毫伏。於是 LDO 能以低至 0.1 到 0.3 V 的餘裕穩壓：從 3.5 V 的輸入做出乾淨的 3.3 V 輸出，把電池榨得幾乎見底。每當輸入只比你要的輸出高出一點點時——由另一顆穩壓器供電、或由一顆接近目標值的電池供電——LDO 就是正確的工具。
誠實的熱代價
帳單在這裡，而且躲不掉。調整電晶體把整個差值（Vin 減 Vout）跨在自己身上，同時承載全部的負載電流 I，所以它把 P = (Vin 減 Vout) times I 當成熱燒掉——功率消耗直接化為溫度。線性穩壓器本質上是一顆聰明的、會自我調整的電阻，把多餘的電壓扔掉。有用的輸出功率只有 Vout times I，所以最好的可能效率就只是 Vout/Vin（一旦把晶片自身的靜態電流算進去，還要再少一絲）。這是整個線性做法既深刻又誠實的極限。
給它套上數字。從 12 V 電源軌做出 5 V、1 A：晶片消耗 P = (12 減 5) times 1 = 7 W，卻只送 5 W 給負載——效率 5/12，約 42%。那 7 W 是指甲蓋大小封裝裡的真實熱量，沒有幫助的話矽晶會被煮熟。對照前面那個電池 LDO：從 3.5 V 輸入做出 3.3 V、0.2 A，只浪費 (3.5 減 3.3) times 0.2 = 0.04 W，效率 94%。寓意很銳利：線性穩壓器在 Vin 接近 Vout 時極好，在差距很大時很浪費。
每一瓦特都得離開晶片，否則它的接面就會過熱而死，所以功率零件會配上 散熱片——一塊帶鰭片的鋁塊，給熱量一條通往周遭空氣的寬闊大道（第 5 篇會正確地為它計算尺寸）。而好的穩壓器會守護自己：電流限制把輸出電流封頂，使短路的輸出無法抽取無限大的電流，而 熱關斷 會在晶粒爬過約攝氏 150 度時把晶片關掉，待它冷卻後再重啟。兩者合在一起，意味著一次過載只會讓一顆三端穩壓器打個嗝後存活下來，而一顆赤裸的分立調整電晶體則會直接燒毀。