控制理论中的男人和女人

stupid

作者：张翌 上海岭芯微电子有限公司 CEO

自觉浪费了很多时间在学校里，在我那一直延续到三十多岁的求学生涯中，仅有两门课可说修正了我的思维习惯。这两门课都发生在加州理工学院。一门是Carver Mead教授的模拟IC设计，课程的内容已不再重要，只记得Mead教授的课本开首的一句话：“我每多写一个公式，就知道这本书的读者会减少一半。”整个课本讲述一个实习生去水坝工作的所见所闻。半导体的势垒当然就是那水坝，载流子的移动是他感受到的从水坝上“飘过来”的水气。整个课本几乎没有一个公式！对知识真正的理解往往可以化作一种感觉。如果您能感觉到零点和极点的移动，普通的控制理论就不再是什么深奥的学说。另一门课是Middlebrook教授的控制理论。Middlebrook和Cuk教授是开关电源控制理论的奠基者，他们的贡献后来被我的大师兄Ericsson（虽然理论上我可以这样叫他，但与他的水平实在相差太远）写在了《Fundamentals of Power Electronics》，至今我仍然认为那是一本该行业最好的教科书。上Middlebrook的课是一种享受。记得第一堂课他让大家计算一个并不复杂的电路的传递函数，大家几乎都“做对了”。但当他指着我们延绵了三四行的算式问我们应当调整哪些参数时，大家终于明白：一个工程师所面对的未知量几乎从来都比已知量多。我们从小做的作业和试题让我们相信多数问题都可以列出和未知数一样多的方程。那门课就是教人如何抛弃不重要的量，或假设某些量可以抛弃，再验证其合理性。最后剩下极少数可以清晰控制的未知量。计算机可以代人验证，却大多不能代替人思考。

开关电源的控制理论是个十分抽象的、有时令人望而生畏的东西。系统不稳定却是个常常会遇到的问题，如何调整？为何调好的系统大批量生产时又出问题？讲理论的材料很多，大多数人还是觉得Unitrode的那几篇最早的应用手册最有用。这里只想讲讲俺一些不完全需要通过上半身就能感受到的东西。哈！开个玩笑。有了感觉再看Ericsson那几百页应当不那么困难。因是讲感觉，不周密之处难免，还望谅解。

先说极点，简单的例子是一个RC滤波。对直流C是开路，对无限高频Ｃ是短路，所以波特图的幅值在极点前是平的，极点后开始以-20dB/dec下降。俺对极点的感觉就是一个男人。男人通常开始热情高涨，但多半经不起时间的考验。无论是对爱情，还是日渐稀松的头发，男人大抵都是如此。


这样零点当然就是女人。简单的例子是一个电容的ESR零点。在直流时，电容的阻值是无穷大，随着频率的增高，阻值不断下降，到极点以后，剩下ESR电阻的阻值就再也不减小了。男人是火，则女人是水，女人虽不见得轰轰烈烈，却多半比男人更有耐力。女人对爱情多半也是刻骨铭心的，看看安娜·卡列尼娜和他的情人就不难了解男人和女人的区别。



讲完男人女人，轮到两个男人。俺不幸在旧金山附近呆了很久，但这里不想谈论同志（多好的词啊，糟蹋了）的问题。一个LC滤波组成了双极点。两个男人难免起冲突，这就像那高高的Q值。一个没有寄生电阻的LC有无穷高的Q值，会把那个谐振频率的信号放大很多，这是我们当年调一个小电容就能在收音机里收到不同电台的原因。两个男人冲突的很厉害对电源可不是什么好事。而冲突的程度是取决于寄生的电阻值，或者说是取决于劝架的强度（学名叫阻尼）。一个Q值很高的系统，相位很快就从0°到了-180°，非常容易不稳定，也难以补偿。所以一般效率高的系统（电阻成分小）不易稳定。

　
对不稳定的系统要做补偿。补偿通常是加一个零点，但同时多半会产生一个高频的极点。比如说在反馈端加一个电容，就会产生一个零点和极点对。俺对零点极点对的理解就是谈了一次恋爱。零点首先介入，正如女人在谈恋爱的开始多半较强势，对于大多数男人，那是他唯一有兴趣陪女人逛商店的时候。接下来真情的、非真情的或至少当时是真情的山盟海誓之后，男人和女人走到一起。男人的爱情极点多半是要发生的，如果发生在其生命极点之前那将是一场悲剧，反之则被称为不朽的爱情。


对于反馈系统来说，一个极点减小了幅值（有利于稳定），也减少了相位裕度（不利于稳定）；一个零点则增大了幅值（不利于稳定），但增大了相位裕度（利于稳定）；所以他们都是做了一件好事，一件坏事。唯有右半平面的零点，她既增大了幅值，又减少了相位裕度，也就是做了两件坏事。这样的女人只能用巫婆来形容。简单的例子是升压电路：主动管开通时，电感储存能量；二极管导通时，电感将储存的能量交给负载。负载得到的电流大约是IL(1-D)。对两个变量求导，低频时电感阻碍电流上升，高频时只有－ILd一项。前面已经知道，幅值从下降到不变的正好像电容的ESR一样是个零点，不同的是有个负号。当负载增加，D会变大以提供更多的电流。但由于输出电流瞬间和 （1-D）成正比，D的增大瞬时反而造成输出电流的减少。正是这个负号将女人变成了巫婆。

大家知道，我们用的都是负反馈系统。输出多了，就在控制的地方减一点，变化就不会太大。但环路本身大多是有相位滞后的，如果对于某一频率的信号，环路本身相位滞后180°时增益大于1 ，那么加上负反馈的180°就是360°。负反馈变成正反馈了。而且每在回路转一圈幅值都变大，自然就不稳定了。所以系统稳定的条件是转一圈增益为1时（ 0dB），相位滞后要小于180°（考虑裕度，一般要小于135°）。用《尘埃落定》里那个傻子也能理解的话说，就是要像个男人（相位滞后90°，相当一个极点）或一个半男人（相位滞后135°，相当一个半极点）一样死去（到达0dB）。

让我们来看个例子，对于电流型的buck，电感上的电流被限制住了，于是可怜的电感失去了发言权（严格地说是最前排的发言权）。主电路只剩下一个Rload和Cout组成的极点（男人2）和输出电容的ESR零点(女人1)。当然控制部分肯定有个很低频的极点（男人1）。也就是说我们有两个男人，有了不稳定的危险，关键看ESR的零点(女人1)在哪儿。电解电容的零点频率很低，所以很可能部分中和了一个男人，于是可能不需要任何补偿。而陶瓷电容的零点频率很高，所以我们很可能要通过加女人的办法进行补偿（一般是一个零点极点对，也就是谈一次恋爱才能稳定）。

对于电压型的buck，L和Cout组成了双极点（男人2和男人3），加上控制部分的极点（男人1）。我们面临的可能是三个男人。毫无疑问，为了要像一个男人一样死去，我们要加一个或两个零极点对。显然电压型的buck不易稳定。像躁动的少年，免不了多谈几次恋爱才能成熟。

最后讲讲开关电路的零点极点都是如何推导出来的。真要俺在这一步步推还不定卡在哪儿，还是讲讲历史比较有趣。话说开关电源出现时，一般的控制理论已很成熟，可都是对一个固定的电路。开关电源这厮不光呆在一个状态，有时甚至会有三个以上的状态。这些状态对应了不同的状态方程，究竟怎么描述整体电路哪？Middlebrook当时引入了用占空比加权平均的办法，成功解决了这一问题。其实很好理解。比如你每往东走一步，接着就往北走一步，描述你轨迹的就是50%*东＋50%*北＝东北方。如果每往东走三步，接着就往北走一步，描述你轨迹的就是75%*东＋25%*北＝东偏北方。将不同开关状态的状态方程加权相加，加入小信号干扰，整理后就会得出不同电路的零点极点。

俺这也就是瞎子摸象，若碰上大学问家，千万别跟俺一般见识。欢迎批评，指正就不必了，没人会把俺讲的“感觉"真当什么学问的。能把枯燥的学问变成有趣的人物，不亦乐乎？

关于作者
伯克利加大电机博士、加州理工学院电机硕士、拥有Haas商学院MOT证书。师从电力电子控制理论的奠基人Middlebrook和Cuk教授。从1989年开始在IR、Semtech等公司任应用和市场职位。拥有美国、法国、意大利、中国台湾等专利。2008年与张征、Agiman合作创立的上海岭芯被iSuppli评为大陆最具发展潜力的十大IC设计公司。