1044
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 這條線是一臺車用電子設備所用 Buck 轉換器的輸入電壓波形，Main_5V 這條線是 Buck 轉換器的輸出電壓波形，熟悉車輛供電環(huán)境的人很容易就會想到波形中所記錄的事件很可能是車輛冷啟動或其他大負載啟動時發(fā)生的事情。處于停機狀態(tài)的發(fā)動機在啟動時需要電動機來帶動，這對電動機來說這是個很大的負擔，所以其電流消耗會很大，而電池有內阻、傳輸線有阻抗，共同作用的結果是會讓電池總線上的設備所得到的供電電壓急劇降低，延續(xù)時長可以有若干個 ms，其他大負載可能不會像啟動發(fā)動機那么耗電，時間也不會那么長，但其性質卻是類似的，帶來的影響也差不多，這樣的供電環(huán)境會給車用電子設備的運行帶來極大的沖擊，所以國際標準化組織有制訂相關的標準來對車用電子設備進行檢驗，下圖所示波形及相關數(shù)據(jù)就是其中之一，它源自 ISO7637。如果使用另一份標準 ISO16750-2，相關的要求還會更高一些。
測試時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備供電端，看看這樣的沖擊它是否能承受，看實施過程中或完成之后的系統(tǒng)是否能正常運作。以我自己所用車子的情況來看，每次啟動時車機系統(tǒng)都會黑屏、無輸出一下，完成后再繼續(xù)原有的狀態(tài)運行下去，如果不是這樣而是每次都以隨機的狀態(tài)出現(xiàn)，我就得要花精力去重新適應和調整它，偶爾一次還可以忍受，次次如此就會很煩人了，換成一個對電子設備操控不熟悉的人則會很要命，他很可能會變得無所適從，實際上我自己也會出現(xiàn)這樣的狀況，當我某一次坐上副駕駛的座位上時就突然發(fā)現(xiàn)自己不會操作它了，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，所以一個好的設計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，遇到電源波動時能將先前的狀態(tài)記憶下來并進入保護狀態(tài)，待其恢復以后又能回到原有狀態(tài)繼續(xù)運行，這種能力真的非常重要。
圖中的 12V 電壓最低時掉到了 3V，Buck 轉換器在開始的時候還在努力維持其 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？因為 Buck 轉換器應對環(huán)境變化的方法就是調整其占空比，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，假如輸入電壓已經低于預設的輸出電壓了，其占空比也就增長到了其極限即 100%，這時候的上橋開關已經處于持續(xù)導通狀態(tài)，即輸入已經被完全用于滿足輸出的需要了，但是仍然不能滿足需求，你還能對這個 Buck 有更多的期待嗎？趕緊想想別的辦法吧，你已經把 Buck 轉換器的能力耗盡了，再努力也是白費勁的。
我想找一個與產生這幅圖的 Buck 轉換器類似的具體器件來看看它是如何應對相應環(huán)境的，所以先要介紹一下器件本身，你把它當作廣告插播也是可以的，因為我總是希望你能多用我家的器件，我覺得這也是非常合理的行為，請先看看原理圖吧：
圖中的主角是 RTQ2104，是一款通過了AEC-Q100 Grade 1 認證的車用同步 Buck 轉換器，可在4V~36V 的輸入電壓范圍內啟動并工作，啟動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，負載能力為3A。其工作頻率為 2.1MHz+6%，這 6% 是它的擴展頻譜范圍，也就是說它的實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在單一頻點集中，方便解決較難處理的 EMI 問題。輕載時轉換效率是很多應用都會關心的問題，所以 RTQ2104 提供了自動運行的節(jié)能模式，但是這樣一來其工作頻率就會隨負載降低而下降，對有的應用來說又是不可接受的，所以用戶可在訂貨時在型號中加入強制 PWM 工作模式的選項予以規(guī)避，這樣的選擇當然也就要去承受輕載效率低的缺陷，這實在是不得已的事情，因為我們沒有辦法違背物理規(guī)律。
為什么像 RTQ2104 這樣的器件會把維持工作所需的輸入電壓設計得比正?？蓡与妷焊?？因為電池供電系統(tǒng)確實是有這樣的特性，它在空載情況下的電壓通常都會高一些，有了負載之后的電壓都會低一些，而且負載越大則外顯電壓越低，這是由負載、電池內阻以及傳輸線的特性等共同決定的，讓器件設計符合這個特性，它們在應用中的表現(xiàn)就會更好。這種特性在 RTQ2104 的規(guī)格書中表達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 會一直處于靜默狀態(tài)，越過此值以后才會轉入正常運作的狀態(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 以上時會一直盡力工作，但在輸入電壓低于此值以后就會進入不再運作的靜默狀態(tài)。這里所謂的盡力工作狀態(tài)就是 RTQ2104 會通過調整其占空比的方式來盡力保持輸出電壓穩(wěn)定的狀態(tài)，即使輸入電壓已經低于需要的輸出電壓了，它也會努力去做，只是這樣努力的作用是有限的，因為一個 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它的努力才是有意義的。
有人會把 Buck 器件所遇到的這樣的輸入電壓的變化理解為動態(tài)變化，把 Buck 器件對此動態(tài)變化的響應過程稱為動態(tài)響應，而且因為此響應并未達到其希望達到的目標，因而判定是器件的動態(tài)響應特性不好，這實際上是對所謂動態(tài)響應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 Buck 轉換器便是一個系統(tǒng)，負載或是輸入電壓的變化對它來說就是個沖擊，這個系統(tǒng)接收到沖擊后通過改變其占空比來予以回應，如果此過程中占空比的變化是線性的，這個沖擊便還位于該系統(tǒng)能夠處理的范圍之內，否則便超出了它的能力范圍，表達這個東西讓我對 “ 躺平 ” 這個詞的理解瞬間得到深化，對 “ 內卷 ” 的理解也相應加深了，不知讀者對此是否也有同感？一個人通過在一個組織內的閃轉騰挪獲得了自己的地位和收益，他這樣做的時候如果沒有超出他的能力范圍，其所獲也能滿足他的需要，他的日子應該過得算是很滋潤、很輕松的，一旦他所需要付出的努力超出了他的能力范圍，他便會開始難受了。當只有個別人如此的時候，我們可以說是這個人有問題，或者是其能力不足，培訓一下或是換個人就行了，或者是安排不當，換個位置就行了。當每個人都處于這樣的狀態(tài)時，內卷就產生了，因為無論大家如何努力，即使每個人用盡了全力也不能滿足組織的需要和個人的需要，大家就只好選擇躺平了，這時候的人們雖然都還活著，但實際上全都死了，因為再也沒有活力了，這個組織也是死了的。
線性系統(tǒng)對不同沖擊的響應是線性的，在階躍響應或單位沖擊響應的基礎上通過簡單的四則運算就能將面對新的沖擊時的響應推導出來，但在 Buck 轉換器的輸入電壓已經低于正常輸出電壓的情況下，它的占空比已經完全處于 100% 的情況下，輸入的任何變化都不會導致占空比發(fā)生變化，這就是進入非線性區(qū)間了，這時候的系統(tǒng)狀態(tài)是無法預估的，所以這樣的響應不能被稱為動態(tài)響應，我們只能用推理的方法來談論系統(tǒng)進入了什么狀態(tài)，會發(fā)生什么樣的變化與具體的器件設計和環(huán)境狀態(tài)都有關系，遠遠超越前述的系統(tǒng)范圍，所以沒有辦法在這里細說。
面對這樣的困境，我們可以怎么做呢？一是接受這個狀態(tài)，思考相應的系統(tǒng)要如何應對這個狀態(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，等到供電恢復以后重新進入，就如我的車機所表現(xiàn)的那樣。二是針對這樣的電源供應的特性，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，我想把這個話題放到以后的文章里去談，本文就到這里結束吧，希望大家的年都過得很好，我在此給大家拜個年，祝大家新年快樂。
