— 不是“哪個比較好”，而是：你要用「熱」換穩定，還是用「切換」換效率？
🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：
• 用一句話說清楚線性與開關的本質差異（能量怎麼被處理）• 了解效率、噪聲、瞬態、EMI、體積、成本的 trade-off
• 知道為什麼系統常用「Buck 前級 + LDO 後級」的混合策略
• 能判斷不同應用（RF/ADC/PA/MCU/感測器/車載）該選哪類電源
• 建立實務驗證：效率曲線、紋波頻譜、瞬態反應、熱點與 EMI 直覺
🧭 一、先給一句話總結（超核心）
👉 線性電源（LDO/線性穩壓）是“把多餘能量變成熱”來換乾淨與簡單；開關電源（Buck/Boost）是“用高速切換把能量搬運”來換高效率與小體積，但你必須承擔 ripple/EMI/控制穩定性與佈線寄生的工程成本。
🧠 二、本質差異：能量到底怎麼被處理？
2.1 線性電源：像「可變電阻」在控電壓
線性穩壓器的核心動作：
- 讓 pass device（BJT/MOS）處在“線性區”
- 透過回授調整導通程度
- 讓 Vout 穩住
直覺：
👉 它不是在搬運能量，它是在“限制能量流”，多餘的就燒成熱。
（線性概念）：
Vin ---[Pass device: 可變阻]--- Vout --- Load
|
(控制回授讓Vout穩)
效率近似：
η_linear ≈ Vout / Vin
所以壓差越大，越燒。
2.2 開關電源：像「搬運工」用電感/電容搬能量
開關電源的核心動作：
- 開關元件在 ON/OFF 之間切換
- 電感儲能、放能
- 電容平滑輸出
- 迴路控制占空比（duty）穩住 Vout
直覺：
👉 它不靠燒熱，而是用“能量轉移”把輸入搬到輸出。
ASCII（Buck 能量搬運概念）：
Vin --[SW]--+--> L --> Vout --> Load
|
GND
(電感L：儲能/放能；控制SW duty讓Vout穩)
效率通常可高很多，但副作用是：
- switching ripple
- EMI
- 控制迴路補償敏感
- 版圖寄生與地回路很關鍵
🧠 三、6 個 trade-off：你其實是在做“系統取捨”
下面是工程師選電源時真正看的表：
3.1 效率與熱
- 線性：效率受壓差限制 → 熱大
- 開關：效率高 → 熱相對小（但開關損耗存在）
直覺：
👉 線性像“直接燒掉壓差”；開關像“把壓差搬走”。
3.2 噪聲與紋波
- 線性：低噪、低紋波（適合 PLL/RF/ADC）
- 開關：有固定頻率 ripple + 高次諧波 + 寬頻雜訊
直覺：
👉 開關電源天生像一台小型 RF 發射器，你得想辦法把它關在籠子裡。
3.3 EMI/EMC
- 線性：EMI 相對好處理
- 開關：dv/dt、di/dt 造成傳導與輻射干擾 → 佈線與濾波是必修
3.4 瞬態反應（Load transient）
- 線性：反應快、頻寬可做很高（但受 pass device 與補償限制）
- 開關：反應取決於迴路補償、電感、頻率；可很強但設計更難
3.5 體積與 BOM
- 線性：外部元件少 → 小而簡單（但散熱可能變大）
- 開關：需要電感/大電容/濾波 → BOM 與 layout 成本高
3.6 成本與複雜度
- 線性：便宜、易用、好 debug
- 開關：成本與設計工時高，但在大功率/電池系統非常值得
🧠 四、為什麼業界最常見是「Buck + LDO」？（超實務）
因為它把兩者優點拼起來：
- Buck：把大壓差吃掉 → 效率高、熱低
- LDO：把剩下的 ripple/高頻噪聲濾掉 → 供敏感模組
ASCII（典型 PMIC 架構）：
Battery/12V
|
[Buck] -> 3.3V (效率主力)
|
[LDO ] -> 1.2V_Analog / 1.0V_PLL (乾淨電源)
工程直覺：
👉 Buck 管“能量”，LDO 管“潔淨”。
🧠 五、你該怎麼選？（應用導向快速判斷）
選線性（LDO/線性穩壓）優先的場景
- PLL、VCO、LO、LNA 偏壓（怕 spur）
- 高精度 ADC/DAC 參考與類比前端
- 小電流、壓差不大、重視乾淨
選開關（Buck/Boost）優先的場景
- 電池供電、需要高效率
- 大電流 rails（CPU/FPGA/PA）
- 多輸出 PMIC
- 車載/工業：輸入變動大
混合策略最常見的場景
- 手機/基地台/衛星通訊： Buck 提供主 rails + LDO 提供 RF/PLL/ADC quiet rails
🧾 六、一句話記住本單元
🔋 線性 vs 開關的本質：
👉 線性是用熱換乾淨與簡單（η≈Vout/Vin）；開關是用切換搬運能量換效率與小體積，但要付出 ripple/EMI/控制補償與版圖寄生管理的代價。業界常用 Buck+LDO，把效率與潔淨各自分工。
🔬 電子學實驗題（83/120）
實驗名稱
線性 vs 開關電源系統對比：效率、紋波頻譜、瞬態、噪聲耦合與熱點（實務強化版）
🎯 實驗目的
- 在相同輸出條件下比較 LDO 與 Buck 的：
- 效率與溫升
- 紋波（time + FFT）
- 瞬態反應（load step）
- 驗證混合架構 Buck→LDO 對“敏感負載”的改善效果
- 建立 debug 流程：雜訊/振盪/熱點問題的定位方法
🧰 實驗器材（偏實務）
• Vin 電源（5V/12V 或電池）
• Buck 模組（可調輸出）
• LDO（可用現成板或 IC）
• 負載：電子負載或電阻 + MOSFET 脈衝負載
• 示波器（建議用短接地彈簧）
• 萬用電表（量 Pin/Pout）
• 溫度量測：熱像儀或溫度計（可選但很加分）
• 敏感負載（擇一）：音訊模組、ADC 板、簡易 RF 接收器
(1) LDO 測試
Vin ──> [ LDO ] ──> Vout ──> Load
│
└──> (Scope)
(2) Buck 測試
Vin ──> [ Buck ] ──> Vout ──> Load
│
└──> (Scope)
(3) Buck + LDO 混合（先效率、再潔淨）
Vin ──> [ Buck ] ──> Vmid ──> [ LDO ] ──> Vclean ──> Sensitive Load
│ │
└──> (Scope @ Vmid) └──> (Scope @ Vclean)
🔧 實驗步驟（完整且可重複套用）
A) 效率曲線與熱點
- 設定輸出：Vout = 3.3V（例）
- 在 Iload = 50mA / 200mA / 500mA / 1A 下量：
- Pin = Vin * Iin
- Pout = Vout * Iout
- η = Pout/Pin
- 同時記錄溫升（穩態後）
📊 預期觀察
- LDO：壓差越大效率越差、溫升越高
- Buck：效率較高，但在輕載可能掉效率（依架構）
✅ 專業解析
線性主要損耗：P ≈ (Vin − Vout) * Iout；Buck 主要損耗在開關與導通損耗。
B) 紋波量測（time + FFT）
- 用示波器量 Vout ripple（探棒接地要短）
- 記錄 Vpp、主頻率
- 做 FFT 看 switching frequency 及諧波尖峰
📊 預期觀察
- Buck：在 fsw 及其諧波處有尖峰
- LDO：紋波通常更低（但看輸入雜訊與 PSRR）
✅ 專業解析（ASCII）
Buck ripple: ~~~~~~ (fsw + harmonics)
LDO ripple : __--__ (較低)
C) 負載瞬態（load step）
- 用 MOSFET 做脈衝負載：ΔI 例如 100mA→500mA
- 量：undershoot、overshoot、recovery time
- 改變輸出電容與 ESR，觀察差異
📊 預期觀察
- LDO：瞬態可快，但大負載可能受限於 pass device
- Buck：瞬態取決迴路補償與電感，可能有 ringing
✅ 專業解析
瞬態的本質是“電源來不及供電流”，輸出電容先頂上；迴路再把電壓拉回。
D) 噪聲耦合測試：敏感模組的“體感差異”
- 以 Buck 直接供敏感負載，觀察輸出噪聲/雜音/ spur
- 改用 LDO 或 Buck→LDO，觀察改善
- 記錄：雜音頻率是否對應 fsw
📊 預期觀察
- Buck 直供：常在 fsw 或其諧波出現干擾
- Buck→LDO：干擾顯著下降
✅ 專業解析（ASCII）
fsw spur → 進入敏感模組 → 你在輸出看到同頻尖峰
❓思考問題（5 題）＋解析
問題 1：為什麼 LDO 在大壓差與大電流時會很燙？
解析：因為損耗近似 (Vin−Vout)*Iout，全變成熱；溫升會加速老化並降低可靠度。
問題 2：為什麼 Buck 的紋波頻譜常有固定尖峰？
解析：因為能量搬運靠固定 switching frequency，會在 fsw 及諧波形成周期性干擾；還可能有控制迴路的低頻成分。
問題 3：為什麼很多 RF/PLL 供電最後一定會加 LDO？
解析：因為這些模組對 spur 極敏感，Buck 的 switching spur 會直接污染相位噪聲、EVM 或接收底噪；LDO 可提供高頻 PSRR 與隔離。
問題 4：為什麼瞬態反應常比 DC regulation 更能反映電源好壞？
解析：系統負載多是動態的（CPU/PA burst），瞬態掉壓會造成系統 reset、RF 失真、ADC 參考漂；DC 準不代表動態穩。
問題 5：Buck→LDO 的缺點是什麼？
解析：多一級會增加成本與掉壓（dropout），並降低總效率；因此通常只把最敏感 rails 用 LDO “清潔”，其他 rails 直接用 Buck。
🧠 工程結論
你選電源不是在選元件，而是在選系統哲學：
- 線性：用熱換乾淨與簡單
- 開關：用切換換效率與小型化，但必須管理噪聲、EMI 與控制穩定性 真正成熟的系統，幾乎一定是混合策略。
