天下有五难,冒犯锋刃,一难也;聚致英豪,二难也;与将士均劳苦,三难也;以弱胜强,四难也;兴复皇业,五难也。 ——《资治通鉴》
明朝藩王众多,到崇祯末期,土地基本已经归藩王或士绅。尔后天灾人祸,斛谷万钱,关中流民四起。崇祯懦弱,不敢对藩王或者东南区域的富人多征一点税,只敢对濒临死亡的西北平民痛下杀手。
如果从稳定性角度角度来看,崇祯治下的明朝是个不稳定的系统,经不起风浪,一有风波就会形成正反馈(此处的正,不是正能量的正,而是恶性循环的意思),人心已失,复兴困难,最终王朝覆灭。
在电源领域,虽然不像历史那样宏大,但也有稳定性的概念,电源的稳定性与产品性能息息相关,是需要着重设计、调测的地方。疾风知劲草,路遥识马力,那么我们在设计出电源后,又如何得知电源是不是稳定的呢?
环路稳定性基本概念
电源稳定性是基于输入/输出波动时,通过反馈(负反馈),告知控制IC去调节占空比,维持输出的稳定,其反馈模型如下图所示。
如果强行举个例子,反馈信号就像忠臣的谏言。如果谏言得用,系统就稳定;如果谏言不被采用,甚至如崇祯般自毁长城,杀袁崇焕等(袁崇焕当时是吴三桂的领导),那就容易成正反馈,恶性循环,整个系统崩盘。

在反馈理论中,环路增益随频率变化的曲线称为幅频特性曲线;环路相移随频率变化的曲线称为相频特性曲线。增益为0dB时对应的频率为“穿越频率”。

相位裕度 (Phase Margin,PM ):
当增益为0dB(放大倍数为1)时,相移不能为−180°,否则就形成了正反馈,此时相移和−180°之间的距离就是相位裕度。相位裕度可以看作是系统进入不稳定状态之前可以增加的相位变化,相位裕度越大,系统越稳定,但系统响应速度会减慢。
增益裕度 (Gain Margin,GM):
当相移为−180°时,增益就不能为0dB,更不能大于0dB,否则就形成了正反馈,此时增益值和0dB之间的距离就是增益裕度。
- 如果−180°时增益<0dB,则增益裕量为正值;
- 如果−180°时增益>0dB,则增益裕量为负值。
正增益裕度表明系统是稳定的,负增益裕量表明系统是不稳定的。
网络分析仪实测环路
使用网络分析仪能实测出环路的响应,即为伯德图,这是最正规的方法。但大公司才有网络分析仪这种仪器,这种家伙很贵。

电源系统中,以反激架构的充电器为例,影响到环路表现的器件很多,但到项目后期很多器件已定型(比如变压器),此时可以微调误差放大器的R、C值进行环路补偿的微调,如下图所示。

瞬态响应测试
但对于刚起步的小公司,或者DIY玩家、极客,没有网络分析仪的时候,该怎么判断环路稳定性呢?
我们可以观察纹波,如果纹波过大,就像水面的涟漪太大,暗示环路有问题。
除了观察纹波,也可以进行瞬态响应测试,通过瞬态响应的波形,判断电源是否有不稳定的趋势。具体来说,当输入电压或输出负载突然变化时,用输出电压的波形样貌来判断稳定性。
这好比给电源来个突然袭击,看它反应如何,如果电源皮实,泰山崩于前而面不改色,并且很快恢复正常;如果电源娇弱,它将哇哇大叫,像惊弓之鸟长期六神无主下去。
下面讲述下负载瞬态响应:
利用负载瞬态变化(可用电子负载瞬态抽载,也称阶跃响应),根据输出电压响应波形来确定产品的稳定性。阶跃变化的负载(比如从满载的25%跳到75%),必然在很宽的频带内对环路造成冲击,逼迫电源运行在危急处境。
- 对于稳定系统,响应波形会表现出轻微的超调或下冲,然后迅速、平滑地回到稳态电压,没有或只有极少数(1-2个)振铃。
- 临界稳定/不稳定系统,响应波形会持续振荡(振铃),需要很长时间才能稳定下来。振铃的次数越多,衰减得越慢,系统就越不稳定。

如果电源不稳定,在输出波形上会表现出振铃,如下图中的右图所示(下面图片素材来自richtek官网)。

对异常响应波形展开,我们可以得到振铃的样貌,振铃的频率,你稍微累积下经验,就可以大致判断稳定性了。

总结
恐惧是生物的本能,勇气是人类的赞歌,于生死之际展现懦弱,就会败北亡国,乃至亡天下。
不用怕,去干他啊。
