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最近收到一張波形圖，所用器件不是立锜的，用戶說所用器件不夠好，我們來看看是咋回事。先看圖吧：
圖中 B+12V 這條線是一臺(tái)車用電子設(shè)備所用 Buck 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓波形，Main_5V 這條線是 Buck 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓波形，熟悉車輛供電環(huán)境的人很容易就會(huì)想到波形中所記錄的事件很可能是車輛冷啟動(dòng)或其他大負(fù)載啟動(dòng)時(shí)發(fā)生的事情。處于停機(jī)狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)需要電動(dòng)機(jī)來帶動(dòng)，這對(duì)電動(dòng)機(jī)來說這是個(gè)很大的負(fù)擔(dān)，所以其電流消耗會(huì)很大，而電池有內(nèi)阻、傳輸線有阻抗，共同作用的結(jié)果是會(huì)讓電池總線上的設(shè)備所得到的供電電壓急劇降低，延續(xù)時(shí)長(zhǎng)可以有若干個(gè) ms，其他大負(fù)載可能不會(huì)像啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)那么耗電，時(shí)間也不會(huì)那么長(zhǎng)，但其性質(zhì)卻是類似的，帶來的影響也差不多，這樣的供電環(huán)境會(huì)給車用電子設(shè)備的運(yùn)行帶來極大的沖擊，所以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織有制訂相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)車用電子設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)，下圖所示波形及相關(guān)數(shù)據(jù)就是其中之一，它源自 ISO7637。如果使用另一份標(biāo)準(zhǔn) ISO16750-2，相關(guān)的要求還會(huì)更高一些。
測(cè)試時(shí)需要將與圖中波形和參數(shù)一致的供電電壓波形施加于電子設(shè)備供電端，看看這樣的沖擊它是否能承受，看實(shí)施過程中或完成之后的系統(tǒng)是否能正常運(yùn)作。以我自己所用車子的情況來看，每次啟動(dòng)時(shí)車機(jī)系統(tǒng)都會(huì)黑屏、無輸出一下，完成后再繼續(xù)原有的狀態(tài)運(yùn)行下去，如果不是這樣而是每次都以隨機(jī)的狀態(tài)出現(xiàn)，我就得要花精力去重新適應(yīng)和調(diào)整它，偶爾一次還可以忍受，次次如此就會(huì)很煩人了，換成一個(gè)對(duì)電子設(shè)備操控不熟悉的人則會(huì)很要命，他很可能會(huì)變得無所適從，實(shí)際上我自己也會(huì)出現(xiàn)這樣的狀況，當(dāng)我某一次坐上副駕駛的座位上時(shí)就突然發(fā)現(xiàn)自己不會(huì)操作它了，這才知道自己平常都是依靠記憶形成的本能在動(dòng)作，到了新的位置上后看屏幕的角度就變了，還要使用另外一只手操作，感覺就完全不一樣，所以一個(gè)好的設(shè)計(jì)必須把各種意外都要照顧到，盡量減少用戶使用中可能遇到的困難，遇到電源波動(dòng)時(shí)能將先前的狀態(tài)記憶下來并進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，待其恢復(fù)以后又能回到原有狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行，這種能力真的非常重要。
圖中的 12V 電壓最低時(shí)掉到了 3V，Buck 轉(zhuǎn)換器在開始的時(shí)候還在努力維持其 5V 輸出，但最后也抵不住輸入電壓的持續(xù)降低，只好隨之一起下降了，為啥呢？因?yàn)?Buck 轉(zhuǎn)換器應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的方法就是調(diào)整其占空比，其在穩(wěn)定情況下的占空比就是輸出電壓與輸入電壓的比，假如輸入電壓已經(jīng)低于預(yù)設(shè)的輸出電壓了，其占空比也就增長(zhǎng)到了其極限即 100%，這時(shí)候的上橋開關(guān)已經(jīng)處于持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，即輸入已經(jīng)被完全用于滿足輸出的需要了，但是仍然不能滿足需求，你還能對(duì)這個(gè) Buck 有更多的期待嗎？趕緊想想別的辦法吧，你已經(jīng)把 Buck 轉(zhuǎn)換器的能力耗盡了，再努力也是白費(fèi)勁的。
我想找一個(gè)與產(chǎn)生這幅圖的 Buck 轉(zhuǎn)換器類似的具體器件來看看它是如何應(yīng)對(duì)相應(yīng)環(huán)境的，所以先要介紹一下器件本身，你把它當(dāng)作廣告插播也是可以的，因?yàn)槲铱偸窍Ｍ隳芏嘤梦壹业钠骷矣X得這也是非常合理的行為，請(qǐng)先看看原理圖吧：
圖中的主角是 RTQ2104，是一款通過了AEC-Q100 Grade 1 認(rèn)證的車用同步 Buck 轉(zhuǎn)換器，可在4V~36V 的輸入電壓范圍內(nèi)啟動(dòng)并工作，啟動(dòng)完成后的最低輸入電壓可以低到 3V，輸出電壓范圍為 0.8V~VIN，負(fù)載能力為3A。其工作頻率為 2.1MHz+6%，這 6% 是它的擴(kuò)展頻譜范圍，也就是說它的實(shí)際工作頻率是變化的，變化范圍為2.1MHz~2.1x(1+6%)MHz 即 2.226MHz，目的是確保射頻能量不會(huì)在單一頻點(diǎn)集中，方便解決較難處理的 EMI 問題。輕載時(shí)轉(zhuǎn)換效率是很多應(yīng)用都會(huì)關(guān)心的問題，所以 RTQ2104 提供了自動(dòng)運(yùn)行的節(jié)能模式，但是這樣一來其工作頻率就會(huì)隨負(fù)載降低而下降，對(duì)有的應(yīng)用來說又是不可接受的，所以用戶可在訂貨時(shí)在型號(hào)中加入強(qiáng)制 PWM 工作模式的選項(xiàng)予以規(guī)避，這樣的選擇當(dāng)然也就要去承受輕載效率低的缺陷，這實(shí)在是不得已的事情，因?yàn)槲覀儧]有辦法違背物理規(guī)律。
為什么像 RTQ2104 這樣的器件會(huì)把維持工作所需的輸入電壓設(shè)計(jì)得比正常可啟動(dòng)電壓更低？因?yàn)殡姵毓╇娤到y(tǒng)確實(shí)是有這樣的特性，它在空載情況下的電壓通常都會(huì)高一些，有了負(fù)載之后的電壓都會(huì)低一些，而且負(fù)載越大則外顯電壓越低，這是由負(fù)載、電池內(nèi)阻以及傳輸線的特性等共同決定的，讓器件設(shè)計(jì)符合這個(gè)特性，它們?cè)趹?yīng)用中的表現(xiàn)就會(huì)更好。這種特性在 RTQ2104 的規(guī)格書中表達(dá)為輸入欠壓鎖定閾值在電壓上升過程和下降過程中的不同，如下表所示：
表中的 VUVLOH 是輸入電壓上升過程中的 UVLO 閾值電壓，其典型值為 3.8V，表示在輸入電壓低于此值之前的 RTQ2104 會(huì)一直處于靜默狀態(tài)，越過此值以后才會(huì)轉(zhuǎn)入正常運(yùn)作的狀態(tài)。反之則是處于工作狀態(tài)的 RTQ2104 在輸入電壓高于 VUVLOL 即 2.85V 以上時(shí)會(huì)一直盡力工作，但在輸入電壓低于此值以后就會(huì)進(jìn)入不再運(yùn)作的靜默狀態(tài)。這里所謂的盡力工作狀態(tài)就是 RTQ2104 會(huì)通過調(diào)整其占空比的方式來盡力保持輸出電壓穩(wěn)定的狀態(tài)，即使輸入電壓已經(jīng)低于需要的輸出電壓了，它也會(huì)努力去做，只是這樣努力的作用是有限的，因?yàn)橐粋€(gè) Buck 器件不可能擁有提升電壓的能力，只有輸入電壓高于需要的輸入電壓時(shí)它的努力才是有意義的。
有人會(huì)把 Buck 器件所遇到的這樣的輸入電壓的變化理解為動(dòng)態(tài)變化，把 Buck 器件對(duì)此動(dòng)態(tài)變化的響應(yīng)過程稱為動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而且因?yàn)榇隧憫?yīng)并未達(dá)到其希望達(dá)到的目標(biāo)，因而判定是器件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不好，這實(shí)際上是對(duì)所謂動(dòng)態(tài)響應(yīng)的定義的理解有了偏差，使得該概念的外延過于廣泛了，超出了實(shí)際器件的能力范疇，所以依靠更換器件的方法是不能解決問題的。
一個(gè) Buck 轉(zhuǎn)換器便是一個(gè)系統(tǒng)，負(fù)載或是輸入電壓的變化對(duì)它來說就是個(gè)沖擊，這個(gè)系統(tǒng)接收到?jīng)_擊后通過改變其占空比來予以回應(yīng)，如果此過程中占空比的變化是線性的，這個(gè)沖擊便還位于該系統(tǒng)能夠處理的范圍之內(nèi)，否則便超出了它的能力范圍，表達(dá)這個(gè)東西讓我對(duì) “ 躺平 ” 這個(gè)詞的理解瞬間得到深化，對(duì) “ 內(nèi)卷 ” 的理解也相應(yīng)加深了，不知讀者對(duì)此是否也有同感？一個(gè)人通過在一個(gè)組織內(nèi)的閃轉(zhuǎn)騰挪獲得了自己的地位和收益，他這樣做的時(shí)候如果沒有超出他的能力范圍，其所獲也能滿足他的需要，他的日子應(yīng)該過得算是很滋潤(rùn)、很輕松的，一旦他所需要付出的努力超出了他的能力范圍，他便會(huì)開始難受了。當(dāng)只有個(gè)別人如此的時(shí)候，我們可以說是這個(gè)人有問題，或者是其能力不足，培訓(xùn)一下或是換個(gè)人就行了，或者是安排不當(dāng)，換個(gè)位置就行了。當(dāng)每個(gè)人都處于這樣的狀態(tài)時(shí)，內(nèi)卷就產(chǎn)生了，因?yàn)闊o論大家如何努力，即使每個(gè)人用盡了全力也不能滿足組織的需要和個(gè)人的需要，大家就只好選擇躺平了，這時(shí)候的人們雖然都還活著，但實(shí)際上全都死了，因?yàn)樵僖矝]有活力了，這個(gè)組織也是死了的。
線性系統(tǒng)對(duì)不同沖擊的響應(yīng)是線性的，在階躍響應(yīng)或單位沖擊響應(yīng)的基礎(chǔ)上通過簡(jiǎn)單的四則運(yùn)算就能將面對(duì)新的沖擊時(shí)的響應(yīng)推導(dǎo)出來，但在 Buck 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓已經(jīng)低于正常輸出電壓的情況下，它的占空比已經(jīng)完全處于 100% 的情況下，輸入的任何變化都不會(huì)導(dǎo)致占空比發(fā)生變化，這就是進(jìn)入非線性區(qū)間了，這時(shí)候的系統(tǒng)狀態(tài)是無法預(yù)估的，所以這樣的響應(yīng)不能被稱為動(dòng)態(tài)響應(yīng)，我們只能用推理的方法來談?wù)撓到y(tǒng)進(jìn)入了什么狀態(tài)，會(huì)發(fā)生什么樣的變化與具體的器件設(shè)計(jì)和環(huán)境狀態(tài)都有關(guān)系，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越前述的系統(tǒng)范圍，所以沒有辦法在這里細(xì)說。
面對(duì)這樣的困境，我們可以怎么做呢？一是接受這個(gè)狀態(tài)，思考相應(yīng)的系統(tǒng)要如何應(yīng)對(duì)這個(gè)狀態(tài)，例如可以讓系統(tǒng)提前感知到輸入電壓的跌落，趕緊把系統(tǒng)狀態(tài)保存下來，等到供電恢復(fù)以后重新進(jìn)入，就如我的車機(jī)所表現(xiàn)的那樣。二是針對(duì)這樣的電源供應(yīng)的特性，采用可以在這樣的供電環(huán)境下能維持輸出穩(wěn)定的電源方案，我想把這個(gè)話題放到以后的文章里去談，本文就到這里結(jié)束吧，希望大家的年都過得很好，我在此給大家拜個(gè)年，祝大家新年快樂。
