如何响应超出范围的冲击？

最近收到一张波形图，所用器件不是立锜的，用户说所用器件不够好，我们来看看是咋回事。先看图吧：

图中 B+12V 这条线是一台车用电子设备所用 Buck 转换器的输入电压波形，Main_5V 这条线是 Buck 转换器的输出电压波形，熟悉车辆供电环境的人很容易就会想到波形中所记录的事件很可能是车辆冷启动或其他大负载启动时发生的事情。处于停机状态的发动机在启动时需要电动机来带动，这对电动机来说这是个很大的负担，所以其电流消耗会很大，而电池有内阻、传输线有阻抗，共同作用的结果是会让电池总线上的设备所得到的供电电压急剧降低，延续时长可以有若干个 ms，其他大负载可能不会像启动发动机那么耗电，时间也不会那么长，但其性质却是类似的，带来的影响也差不多，这样的供电环境会给车用电子设备的运行带来极大的冲击，所以国际标准化组织有制订相关的标准来对车用电子设备进行检验，下图所示波形及相关数据就是其中之一，它源自 ISO7637。如果使用另一份标准 ISO16750-2，相关的要求还会更高一些。

测试时需要将与图中波形和参数一致的供电电压波形施加于电子设备供电端，看看这样的冲击它是否能承受，看实施过程中或完成之后的系统是否能正常运作。以我自己所用车子的情况来看，每次启动时车机系统都会黑屏、无输出一下，完成后再继续原有的状态运行下去，如果不是这样而是每次都以随机的状态出现，我就得要花精力去重新适应和调整它，偶尔一次还可以忍受，次次如此就会很烦人了，换成一个对电子设备操控不熟悉的人则会很要命，他很可能会变得无所适从，实际上我自己也会出现这样的状况，当我某一次坐上副驾驶的座位上时就突然发现自己不会操作它了，这才知道自己平常都是依靠记忆形成的本能在动作，到了新的位置上后看屏幕的角度就变了，还要使用另外一只手操作，感觉就完全不一样，所以一个好的设计必须把各种意外都要照顾到，尽量减少用户使用中可能遇到的困难，遇到电源波动时能将先前的状态记忆下来并进入保护状态，待其恢复以后又能回到原有状态继续运行，这种能力真的非常重要。

图中的 12V 电压最低时掉到了 3V，Buck 转换器在开始的时候还在努力维持其 5V 输出，但最后也抵不住输入电压的持续降低，只好随之一起下降了，为啥呢？因为 Buck 转换器应对环境变化的方法就是调整其占空比，其在稳定情况下的占空比就是输出电压与输入电压的比，假如输入电压已经低于预设的输出电压了，其占空比也就增长到了其极限即 100%，这时候的上桥开关已经处于持续导通状态，即输入已经被完全用于满足输出的需要了，但是仍然不能满足需求，你还能对这个 Buck 有更多的期待吗？赶紧想想别的办法吧，你已经把 Buck 转换器的能力耗尽了，再努力也是白费劲的。

我想找一个与产生这幅图的 Buck 转换器类似的具体器件来看看它是如何应对相应环境的，所以先要介绍一下器件本身，你把它当作广告插播也是可以的，因为我总是希望你能多用我家的器件，我觉得这也是非常合理的行为，请先看看原理图吧：

图中的主角是 RTQ2104，是一款通过了AEC-Q100 Grade 1 认证的车用同步 Buck 转换器，可在4V~36V 的输入电压范围内启动并工作，启动完成后的最低输入电压可以低到 3V，输出电压范围为 0.8V~VIN，负载能力为3A。其工作频率为 2.1MHz+6%，这 6% 是它的扩展频谱范围，也就是说它的实际工作频率是变化的，变化范围为2.1MHz~2.1x(1+6%)MHz 即 2.226MHz，目的是确保射频能量不会在单一频点集中，方便解决较难处理的 EMI 问题。轻载时转换效率是很多应用都会关心的问题，所以 RTQ2104 提供了自动运行的节能模式，但是这样一来其工作频率就会随负载降低而下降，对有的应用来说又是不可接受的，所以用户可在订货时在型号中加入强制 PWM 工作模式的选项予以规避，这样的选择当然也就要去承受轻载效率低的缺陷，这实在是不得已的事情，因为我们没有办法违背物理规律。
为什么像 RTQ2104 这样的器件会把维持工作所需的输入电压设计得比正常可启动电压更低？因为电池供电系统确实是有这样的特性，它在空载情况下的电压通常都会高一些，有了负载之后的电压都会低一些，而且负载越大则外显电压越低，这是由负载、电池内阻以及传输线的特性等共同决定的，让器件设计符合这个特性，它们在应用中的表现就会更好。这种特性在 RTQ2104 的规格书中表达为输入欠压锁定阈值在电压上升过程和下降过程中的不同，如下表所示：

表中的 VUVLOH 是输入电压上升过程中的 UVLO 阈值电压，其典型值为 3.8V，表示在输入电压低于此值之前的 RTQ2104 会一直处于静默状态，越过此值以后才会转入正常运作的状态。反之则是处于工作状态的 RTQ2104 在输入电压高于 VUVLOL 即 2.85V 以上时会一直尽力工作，但在输入电压低于此值以后就会进入不再运作的静默状态。这里所谓的尽力工作状态就是 RTQ2104 会通过调整其占空比的方式来尽力保持输出电压稳定的状态，即使输入电压已经低于需要的输出电压了，它也会努力去做，只是这样努力的作用是有限的，因为一个 Buck 器件不可能拥有提升电压的能力，只有输入电压高于需要的输入电压时它的努力才是有意义的。

有人会把 Buck 器件所遇到的这样的输入电压的变化理解为动态变化，把 Buck 器件对此动态变化的响应过程称为动态响应，而且因为此响应并未达到其希望达到的目标，因而判定是器件的动态响应特性不好，这实际上是对所谓动态响应的定义的理解有了偏差，使得该概念的外延过于广泛了，超出了实际器件的能力范畴，所以依靠更换器件的方法是不能解决问题的。

一个 Buck 转换器便是一个系统，负载或是输入电压的变化对它来说就是个冲击，这个系统接收到冲击后通过改变其占空比来予以回应，如果此过程中占空比的变化是线性的，这个冲击便还位于该系统能够处理的范围之内，否则便超出了它的能力范围，表达这个东西让我对 “ 躺平 ” 这个词的理解瞬间得到深化，对 “ 内卷 ” 的理解也相应加深了，不知读者对此是否也有同感？一个人通过在一个组织内的闪转腾挪获得了自己的地位和收益，他这样做的时候如果没有超出他的能力范围，其所获也能满足他的需要，他的日子应该过得算是很滋润、很轻松的，一旦他所需要付出的努力超出了他的能力范围，他便会开始难受了。当只有个别人如此的时候，我们可以说是这个人有问题，或者是其能力不足，培训一下或是换个人就行了，或者是安排不当，换个位置就行了。当每个人都处于这样的状态时，内卷就产生了，因为无论大家如何努力，即使每个人用尽了全力也不能满足组织的需要和个人的需要，大家就只好选择躺平了，这时候的人们虽然都还活着，但实际上全都死了，因为再也没有活力了，这个组织也是死了的。

线性系统对不同冲击的响应是线性的，在阶跃响应或单位冲击响应的基础上通过简单的四则运算就能将面对新的冲击时的响应推导出来，但在 Buck 转换器的输入电压已经低于正常输出电压的情况下，它的占空比已经完全处于 100% 的情况下，输入的任何变化都不会导致占空比发生变化，这就是进入非线性区间了，这时候的系统状态是无法预估的，所以这样的响应不能被称为动态响应，我们只能用推理的方法来谈论系统进入了什么状态，会发生什么样的变化与具体的器件设计和环境状态都有关系，远远超越前述的系统范围，所以没有办法在这里细说。
面对这样的困境，我们可以怎么做呢？一是接受这个状态，思考相应的系统要如何应对这个状态，例如可以让系统提前感知到输入电压的跌落，赶紧把系统状态保存下来，等到供电恢复以后重新进入，就如我的车机所表现的那样。二是针对这样的电源供应的特性，采用可以在这样的供电环境下能维持输出稳定的电源方案，我想把这个话题放到以后的文章里去谈，本文就到这里结束吧，希望大家的年都过得很好，我在此给大家拜个年，祝大家新年快乐。