極點是男人 零點是女人

開關電源的控制理論是個十分抽象的、有時令人望而生畏的東西。系統不穩定卻是個常常會遇到的問題，如何調整？為何調好的系統大批量生產時又出問題？講理論的材料很多，需要理解的數學理論也比較多。那麼如何理解開關電源的環路穩定性呢？

雪松跟我說過一個比喻，我覺得很好，先分享給大家：

反饋環路，就好像老婆給老公捶背。一開始老婆捶，老公說：「沒吃飯啊，這麼沒力氣？」老婆開始加力氣，一直加，老公吼道：「這麼大力氣，要捶死人啊?」如此反覆，就是一個環路不穩定的過程。

今天看到一另外一個男人和女人的比喻，供大家參考，如下：

先說極點，簡單的例子是一個RC濾波。對直流C是開路，對無限高頻Ｃ是短路，所以波特圖的幅值在極點前是平的，極點後開始以-20dB/dec下降。俺對極點的感覺就是一個男人。男人通常開始熱情高漲，但多半經不起時間的考驗。無論是對愛情，還是日漸稀鬆的頭髮，男人大抵都是如此。

這樣零點當然就是女人。簡單的例子是一個電容的ESR零點。在直流時，電容的阻值是無窮大，隨著頻率的增高，阻值不斷下降，到極點以後，剩下ESR電阻的阻值就再也不減小了。男人是火，則女人是水，女人雖不見得轟轟烈烈，卻多半比男人更有耐力。女人對愛情多半也是刻骨銘心的，看看安娜·卡列尼娜和他的情人就不難了解男人和女人的區別。

講完男人女人，輪到兩個男人。俺不幸在舊金山附近呆了很久，但這裡不想談論同志（多好的詞啊，糟蹋了）的問題。一個LC濾波組成了雙極點。兩個男人難免起衝突，這就像那高高的Q值。一個沒有寄生電阻的LC有無窮高的Q值，會把那個諧振頻率的信號放大很多，這是我們當年調一個小電容就能在收音機里收到不同電台的原因。兩個男人衝突的很厲害對電源可不是什麼好事。而衝突的程度是取決於寄生的電阻值，或者說是取決於勸架的強度（學名叫阻尼）。一個Q值很高的系統，相位很快就從0°到了-180°，非常容易不穩定，也難以補償。所以一般效率高的系統（電阻成分小）不易穩定。

對不穩定的系統要做補償。補償通常是加一個零點，但同時多半會產生一個高頻的極點。比如說在反饋端加一個電容，就會產生一個零點和極點對。零點極點對的理解就是談了一次戀愛。零點首先介入，正如女人在談戀愛的開始多半較強勢，對於大多數男人，那是他唯一有興趣陪女人逛商店的時候。接下來真情的、非真情的或至少當時是真情的山盟海誓之後，男人和女人走到一起。男人的愛情極點多半是要發生的，如果發生在其生命極點之前那將是一場悲劇，反之則被稱為不朽的愛情。

對於反饋系統來說，一個極點減小了幅值（有利於穩定），也減少了相位裕度（不利於穩定）；一個零點則增大了幅值（不利於穩定），但增大了相位裕度（利於穩定）；所以他們都是做了一件好事，一件壞事。唯有右半平面的零點，她既增大了幅值，又減少了相位裕度，也就是做了兩件壞事。這樣的女人只能用巫婆來形容。

簡單的例子是升壓電路：主動管開通時，電感儲存能量；二極體導通時，電感將儲存的能量交給負載。負載得到的電流大約是IL(1-D)。對兩個變數求導，低頻時電感阻礙電流上升，高頻時只有－ILd一項。前面已經知道，幅值從下降到不變的正好像電容的ESR一樣是個零點，不同的是有個負號。當負載增加，D會變大以提供更多的電流。但由於輸出電流瞬間和 （1-D）成正比，D的增大瞬時反而造成輸出電流的少。正是這個負號將女人變成了巫婆。

大家知道，我們用的都是負反饋系統。輸出多了，就在控制的地方減一點，變化就不會太大。但環路本身大多是有相位滯後的，如果對於某一頻率的信號，環路本身相位滯後180°時增益大於1 ，那麼加上負反饋的180°就是360°。負反饋變成正反饋了。而且每在迴路轉一圈幅值都變大，自然就不穩定了。所以系統穩定的條件是轉一圈增益為1時（0dB），相位滯後要小於180°（考慮裕度，一般要小於135°）。用《塵埃落定》里那個傻子也能理解的話說，就是要像個男人（相位滯後90°，相當一個極點）或一個半男人（相位滯後135°，相當一個半極點）一樣死去（到達0dB）。

讓我們來看個例子，對於電流型的buck，電感上的電流被限制住了，於是可憐的電感失去了發言權（嚴格地說是最前排的發言權）。主電路只剩下一個Rload和Cout組成的極點（男人2）和輸出電容的ESR零點(女人1)。當然控制部分肯定有個很低頻的極點（男人1）。也就是說我們有兩個男人，有了不穩定的危險，關鍵看ESR的零點(女人1)在哪兒。電解電容的零點頻率很低，所以很可能部分中和了一個男人，於是可能不需要任何補償。而陶瓷電容的零點頻率很高，所以我們很可能要通過加女人的辦法進行補償（一般是一個零點極點對，也就是談一次戀愛才能穩定）。

對於電壓型的buck，L和Cout組成了雙極點（男人2和男人3），加上控制部分的極點（男人1）。我們面臨的可能是三個男人。毫無疑問，為了要像一個男人一樣死去，我們要加一個或兩個零極點對。顯然電壓型的buck不易穩定。像躁動的少年，免不了多談幾次戀愛才能成熟。

最後講講開關電路的零點極點都是如何推導出來的。真要俺在這一步步推還不定卡在哪兒，還是講講歷史比較有趣。話說開關電源出現時，一般的控制理論已很成熟， 可都是對一個固定的電路。開關電源這廝不光呆在一個狀態，有時甚至會有三個以上的狀態。這些狀態對應了不同的狀態方程，究竟怎麼描述整體電路哪？其實很好理解。比如你每往東走一步，接著就往北走一步，描述你軌跡的就是50%*東＋50%*北＝東北方。如果每往東走三步，接著就往北走一步，描述你軌跡的就是75%*東＋25%*北＝東偏北方。將不同開關狀態的狀態方程加權相加，加入小信號干擾，整理後就會得出不同電路的零點極點。

特別推薦

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！