關(guān)于USB負(fù)載的相關(guān)介紹分析

RT8474A 是輸入電壓范圍為 4.5V-50V 的 LED 驅(qū)動器，工作頻率為固定的 500kHz，集成開關(guān)管的電流限制值為 2A，支持 100% 占空比的工作狀態(tài)，可用模擬信號或 PWM 信號進(jìn)行輸出調(diào)節(jié)，支持 Buck、Boost 和 Buck-Boost 架構(gòu)的應(yīng)用，在 Buck 架構(gòu)下?lián)碛刑貏e的輸出過壓保護(hù)設(shè)計(jì)（可避免燒毀負(fù)載），其 Buck 應(yīng)用的原理圖如下圖所示：

“先通電再接燈”，表示這個(gè)系統(tǒng)需要跨越兩個(gè)狀態(tài)：

這兩個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，在普通的電壓轉(zhuǎn)換器里會被表達(dá)為“瞬態(tài)”，英文單詞是 Transient，實(shí)際是負(fù)載的一個(gè)階躍變化。這個(gè)階躍變化會帶來什么影響呢？我隨意地打開了一份產(chǎn)品規(guī)格書，其中有這樣的圖片來表達(dá)此產(chǎn)品的性能：

所選器件是 RT9013-15PQW，一款 1.5V 輸出的線性穩(wěn)壓器，圖中的測試是在輸入電壓為 2.5V 的情況下做的，測試方法是讓負(fù)載電流在 10mA 和 300mA 之間跳變，觀察輸出電壓的變化情況。由圖可見，當(dāng)負(fù)載電流從 10mA 改變?yōu)?300mA 時(shí)，輸出電壓出現(xiàn)了大約 30mV 的下墜，然后再回復(fù)到它原來的位置；當(dāng)負(fù)載電流從 300mA 下降到 10mA 時(shí)，輸出電壓先是上升了 70mV，然后再迅速回到原位，可是它跑得太猛了，并不能在原位停下來，因而繼續(xù)下竄到低于原位大約 48mV 的地方再開始返回，隨后又經(jīng)歷了一段時(shí)間的小幅度振蕩，最后在原位穩(wěn)定下來。

為什么穩(wěn)壓器在負(fù)載變化的時(shí)候會有這樣的響應(yīng)呢？因?yàn)閼T性。它們總是把自己的狀態(tài)調(diào)節(jié)到能夠滿足負(fù)載需要的狀態(tài)，可是負(fù)載要發(fā)生變化的時(shí)候并不會提前通知，它們無法在負(fù)載發(fā)生變化的同時(shí)就把狀態(tài)改變到滿足新的需求的狀態(tài)，只能在發(fā)現(xiàn)輸出變化以后再做出響應(yīng)，這樣就出現(xiàn)了響應(yīng)的滯后現(xiàn)象。調(diào)節(jié)過程本身也是有慣性的，過猛了就會沖到另一個(gè)極端去?？刂苹芈返脑O(shè)計(jì)總是希望響應(yīng)是快速的，回復(fù)原位的過程是可控的，最好不要有振蕩過程，這種過程被理解為穩(wěn)定度不足的表現(xiàn)。線性穩(wěn)壓器多屬于響應(yīng)極快的系統(tǒng)，所以它們的滯后算是短的，如果是開關(guān)模式的轉(zhuǎn)換器，這種滯后就多多了：

這是表現(xiàn)符合車規(guī)的 36V Buck 轉(zhuǎn)換器 RT2875 的瞬態(tài)響應(yīng)過程的波形圖，你可以從中看到它和前面的線性穩(wěn)壓器的響應(yīng)特性的區(qū)別，請注意輸出電壓下墜、上竄的幅度和回復(fù)原位所需要的時(shí)間。用于同步的時(shí)鐘、濾波電感、輸出電容都會導(dǎo)致響應(yīng)的滯后，這是它們與線性穩(wěn)壓器不一樣的地方。

為了改善瞬態(tài)響應(yīng)的特性，科學(xué)家、工程師們可沒少做努力，DC/DC 這個(gè)領(lǐng)域里面就有很多不同的控制架構(gòu)，立锜的 ACOT(Advanced Constant On Time) 算是其中的一個(gè)成果，我們可從下圖看看其效果：

此圖來自 RT6224B 的規(guī)格書，測試條件和前者相當(dāng)，負(fù)載電流都是在 0A-3A 之間跳變，但是輸出電壓更低，僅僅為 1V。在這樣低的電壓下工作的器件對電壓的變化會非常敏感，所以就會要求非常低的電壓過沖和下墜，我相信像這個(gè)圖所表達(dá)的特性是非常好的，能滿足很多苛刻應(yīng)用的需求。

用來表現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)特性的圖片卻很少會在用來驅(qū)動 LED 的器件規(guī)格書中出現(xiàn)，親愛的讀者你是否注意到了這一點(diǎn)呢？這又是為什么呢？

答案其實(shí)很簡單，照明用的 LED 驅(qū)動器的負(fù)載在應(yīng)用中是不變的。負(fù)載階躍在普通的 LED 照明應(yīng)用中根本就不存在，我們?yōu)槭裁匆ケ憩F(xiàn)它用不著的特性呢？純屬浪費(fèi)而已。因此，本文開頭提及的 RT8474A 的規(guī)格書中沒有表現(xiàn)瞬態(tài)響應(yīng)特性的圖片就是很正常的了。

如果一顆器件的規(guī)格書不去表現(xiàn)它的某種特性，是否意味著它就沒有某種特性呢？答案當(dāng)然是否定的，你在 RT8474A 的原理圖中看到的 VC 端及其外接 RC 電路就是用于它的瞬態(tài)響應(yīng)特性調(diào)節(jié)的，你可以根據(jù)自己的需求對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，但在正式開始這一工作以前，你得對基本的控制理論有一些了解，然后你才能比較好地開展這一工作，這個(gè)問題相對復(fù)雜，我們就不在這里展開了。
繼續(xù)思考我們開始提及的問題：“輸出正極一碰負(fù)載，IC 就冒煙了。”

你可知道“一碰”這個(gè)詞代表著多少意義？這取決于你對問題思考的深度。

最淺的一層認(rèn)識是負(fù)載從“無”變?yōu)椤坝小保挥袃蓚€(gè)狀態(tài)：無代表空載，有代表滿載。我們小的時(shí)候看電影，最喜歡問誰是好人、誰是壞人，好在那個(gè)時(shí)候的電影把好人和壞人表現(xiàn)得非常直白，一看形象就知道，一聽說話就知道，一看做事就知道，好人好得非常徹底，壞人壞得淋漓盡致，習(xí)慣了這種教育以后，我們在現(xiàn)實(shí)中看人也是一分為二，非好即壞，非壞即好，這就給我們處理人際關(guān)系帶來了障礙，因?yàn)閷?shí)際中的人不是這樣的，每個(gè)人都是有好有壞的，全看每一個(gè)當(dāng)下他是如何選擇的，也看你是從什么角度去看待那一個(gè)選擇的。

如果現(xiàn)實(shí)中的一碰就完成了接觸，負(fù)載從空變滿也是有個(gè)過程的，這個(gè)過程就是我們前面說的階躍過程，它將導(dǎo)致一個(gè)響應(yīng)過程（教科書中說的“階躍響應(yīng)”），RT8474A 的占空比將從一開始的全開狀態(tài)逐漸演變?yōu)榈扔?Vout/Vin 的狀態(tài)，其間經(jīng)歷的過程是怎樣的，取決于 RT8474A 所處的環(huán)境，它的輸入、負(fù)載的規(guī)格、所有外圍元件參數(shù)都與之相關(guān)。最佳的結(jié)果大概是這樣的，它的負(fù)載電流逐漸從 0 上升到預(yù)設(shè)的額定電流，沒有抖動，沒有折騰，實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)還需要前端 AC/DC 的配合，確保其輸出總是能夠滿足它的調(diào)節(jié)過程的需要，但事情常常不會這么順利，因?yàn)?AC/DC 在遇到這樣的負(fù)載變化的時(shí)候也有一個(gè)響應(yīng)過程，而我們此前并不知曉它的特性是怎樣的。

這樣的不理想的理想結(jié)果是我們從最簡單的二元分別的假設(shè)出發(fā)推導(dǎo)出來的，如果我們?nèi)ビ^察事實(shí)，我們會發(fā)現(xiàn)實(shí)際的“一碰”根本就不是一個(gè)簡單的過程，它可以復(fù)雜到可能根本無法分析下去，最后還得想辦法對過程、分析進(jìn)行簡化，所以下面就直接簡化地對事情進(jìn)行描述。

當(dāng)負(fù)載靠近輸出正極還沒有真正接觸的時(shí)候，兩者之間的空間電場將逐漸加強(qiáng)，到了某個(gè)時(shí)刻，極高的電場強(qiáng)度將使兩者之間的空氣發(fā)生電離，空氣阻抗將因離子態(tài)的出現(xiàn)而急劇下降，在尚未真正接觸的兩個(gè)端子間形成實(shí)際的電流通路，負(fù)載電流急劇增加。這個(gè)過程通常能看到火花的出現(xiàn)，我家有個(gè)侄子小時(shí)候曾將一節(jié)干電池的兩個(gè)電極用金屬線短接，當(dāng)時(shí)只看見火花一閃，他的指頭上便留下了一道燒焦的痕跡，由此可見這一下釋放的能量有多厲害。

當(dāng)真正的接觸實(shí)現(xiàn)以后，電路繼續(xù)工作，負(fù)載電流繼續(xù)增加，但在這時(shí)已經(jīng)接觸的兩個(gè)端點(diǎn)又會再次分開，這是由于接觸碰撞的反彈造成的，這種分離可能造成電流中斷，斷開之后又會重新續(xù)上，而且可能反復(fù)很多次，RT8474A 將會在此過程中不斷變換其占空比，努力使其電流檢測電阻上的電壓等于額定值。
玩過單片機(jī)的朋友在學(xué)習(xí)編程的時(shí)候大概都做過開關(guān)按鍵消抖軟件，一般的教程里都有這樣的開關(guān)接觸過程的波形示例：

一個(gè)在設(shè)計(jì)上已經(jīng)努力進(jìn)行了消抖處理的按鍵都還要這樣抖動，你用手工隨意去進(jìn)行兩個(gè)觸點(diǎn)的接觸會帶來什么樣的抖動效果呢？真的是難以預(yù)估的，好思考的讀者可以順便想想為什么波形要畫為鋸齒形狀。

對于 RT8474A 來說，負(fù)載的接入便意味著負(fù)載的增加，負(fù)載的斷開便意味著負(fù)載的減小，但它并不在乎這一點(diǎn)，它只有一個(gè)目標(biāo)：讓輸出電流等于設(shè)定值。堅(jiān)持自己的目標(biāo)，這無疑是值得稱道的一種執(zhí)著，可是當(dāng)負(fù)載反復(fù)通通斷斷的時(shí)候，這種執(zhí)著將給它帶來災(zāi)難，因?yàn)樗恼伎毡燃词沟搅俗畲蠡部赡懿荒艿玫剿胍慕Y(jié)果，最后就會在它堅(jiān)持占空比最大化的時(shí)候有它不能承受的電流流過它（即使IC有過流保護(hù)也無法保證電流不會過流，因?yàn)閺?a target="_blank">檢測到過流到保護(hù)的實(shí)現(xiàn)是需要時(shí)間的），最后因?yàn)檫^熱而燒毀了。

RT8474A 的輸出電流的反復(fù)變化必然反映到它的供應(yīng)電壓上，前端的 AC/DC 也會進(jìn)入反復(fù)無常的運(yùn)作狀態(tài)，其輸出電壓高過 RT8474A 的耐壓是很容易的事情，這時(shí)候?qū)l(fā)生什么狀況呢？想進(jìn)一步探討的讀者請?jiān)跉v史消息里去查看過去的文章：EOS 是怎么回事？

在上述的這些事情發(fā)生期間，負(fù)載的通斷、RT8474A 的運(yùn)作和 AC/DC 的運(yùn)作既是各自獨(dú)立的，又是相互影響的，要把責(zé)任推到任何單一的因素上都是不可取的，怕的就是當(dāng)一個(gè)操作帶來的沖擊正在被修復(fù)的時(shí)候，另一個(gè)沖擊又到來了，系統(tǒng)認(rèn)為此前的修復(fù)行為過了頭或是嚴(yán)重不足，所以它只好往另一個(gè)方向進(jìn)行修復(fù)或是在原有的方向上進(jìn)行更深的修復(fù)，這樣就會在反復(fù)中將系統(tǒng)帶向不可挽回的深淵。作為一個(gè)測試者，你的責(zé)任就是確保不要這樣做，因?yàn)檫@樣的測試對現(xiàn)實(shí)沒有任何幫助，哪個(gè)用戶會把燈具中的 LED 動來動去的呢？但是作為設(shè)計(jì)師卻有責(zé)任將電路的響應(yīng)特性調(diào)節(jié)到比較好的狀態(tài)，使它能在負(fù)載有一定的變化時(shí)能夠進(jìn)行穩(wěn)定可控的調(diào)節(jié)，我們進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)測試的意義便是幫助這個(gè)過程的完成，有這種需求的讀者可以購買立锜的 Load Transient Tool 來幫助自己完成這種測試。

寫完此文的時(shí)候，我想起了當(dāng)年研究 LED 在 MR16 應(yīng)用中的歷程。早期的各種解決方案在面對電子變壓器的時(shí)候都存在各種不確定性，因此兼容性和閃爍問題總是解決不了，我們找到的 Boost + Buck 架構(gòu)就是將問題分段來處理的：Boost 的存在既解決了電子變壓器的穩(wěn)定工作問題，又給后級的 Buck 提供了穩(wěn)定的工作環(huán)境，因此一勞永逸地解決了所有問題，對此有興趣的讀者可以去研究 RT8476 和 RT8479。