电路稳定性设计中常见的几个误区解析

电路稳定性(stability of electric circuit)是动态电路在受到扰动后维持原有工作状态或恢复至原状态的能力，属于电气工程学科核心研究内容。其核心特性表现为系统运行中遭遇扰动时不发生质变，或在扰动消除后能趋近原有运行状态。这一特性对电力系统、电子设备等领域的可靠性设计具有基础理论支撑作用。

电路稳定性表征动态电路在扰动作用下的行为特征，包含两种典型情形：运行状态下遭遇瞬时扰动时系统保持原有稳态的能力;扰动消除后系统自主回归原始稳态的恢复能力。这一性质是评估电力系统安全运行、电子设备抗干扰能力的核心指标。

判定方法

稳定性判定依据系统微分方程根的位置分布特性：

当系统极点全部位于复平面左半部时，呈现渐进稳定特性

若存在极点位于虚轴或右半平面，则系统可能发生持续振荡或发散现象

影响因素

系统参数设置直接影响稳定性表现：

反馈回路的相位裕度与增益裕度

储能元件(电感、电容)的能量存储特性

非线性元件引入的谐波失真效应

分布式参数对高频响应的制约作用

应用领域

电路设计不仅有很多技巧，同样也存在很多误区，本文将介绍电路稳定性设计当中的常见误区。

误区1：产品故障=产品不可靠产品出现问题，有时候并不是研发的问题，曾经有案例，面向国内中等以上发达地区的设备，因为在国内用的不错，所以出口到了哥伦比亚，但在那里频频故障。

故障的原因在于中国大陆中等以上发达地区的海拔都比较低，所以高海拔地区，设备的气密性受到了挑战，设备内外压差增大泄露率增加。

项目立项时只考虑了低海拔，所以人家的设计是没问题的，您老总就这样要求的嘛，谁决策了拿这个型号出口哥伦比亚，他才是罪魁祸首。

如果管研发的老总参与决策而没提出反对意见，他简直就是最大的罪人，毕竟销售的高管决策不懂技术还是可以原谅的，技术副总的错误则是无能。

产品可靠性是：规定的时间、规定的条件下，完成规定功能的能力。

读者一定要细细品味这个定义，格物致知，看看谁能格这个定义的时候能达到更多的致知，使用现场的条件常常超过了规定的条件，而这个超出很大可能是隐含的。

误区2：降额容易没啥问题降额谁都会，如画画，谁都会，但不是谁都能靠画画生存，这里仅作一简单总结：

同功能、但不同工艺的器件降额系数不同;

可调器件和定值器件降额系数不同;

负载不同，降额系数不同;

同规格导线在多匝和单匝应用时降额系数不同;

部分参数不可降额;

结温降额不可遗漏。

误区3：元器件可放心使用器件损坏为何常被称之为“烧”?原因就是器件失效大都是热失效，因为器件环境温度≠整机环境温度，器件环境受到机箱内其他器件散热的影响，一般器件环境温度比整机环境温度要高。

误区4：可靠性跟机械、软件无关安装、布线、布局、喷涂的处理都会影响电气性能;

电磁兼容、虚焊、散热、振动噪声、腐蚀、接地都和结构有关;

软件的防错、判错、纠错、容错处理措施可避免机械和电子缺陷问题。

误区5：器件简单无需Datasheet做设计时一定要拿到所有器件的Datasheet，然后阅读其上的所有图形图表和参数，最后在设计上和这些曲线建立联系。

误区6：可维修性与我无关电子产品可靠性工作的目的是什么?是赚钱!!!赚钱靠什么?开源和节流，开源难，节流易。

不要总想着从材料费上省，材料费省了维修费高了，从早死换成了晚死，早晚还是死，何必呢?莫不如早死早托生。

最好的方式就是重视可维修性，省掉这部分费用，这是货真价实的利润。

误区7：制程控制不好就是无技术人才制程控制不好，不仅仅是工艺人员的问题，这是一条价值链的建设过程。

设计工程师对器件的要求;

采购工程师的厂家选择;

检验环节的控制内容应该设计上对器件关键指标的部分;

检测方法不应引入元器件的失效机理和损伤;

装配环节也不应引入损伤，如波峰焊炉温控制，手工焊接台面的防静电处理等;

出厂检验环节应该检查器件参数漂移可能会导致产品故障的部分内容、维修环节不应引入失效。

由上可以看出，出现问题哪是区区几位工艺工程师能保证得了的。

所以总结出具体的做法是建立一致性，一致性的前提是设计人员提供充分、有主次的技术信息，工艺仅仅是依据设计图纸和设计文件来保障制造可靠性无限逼近于设计可靠性。

误区8：加强测试就可解决可靠性问题此问题既然能名列十大误区之一，其定义自然是错误的，总结有三：有些问题通过模拟测试实验根本测不出来;

测试手段=工程计算+规范审查+模拟试验+电子仿真;

通过温度加强试验的结果计算不出对应的低温工作时间。

电路的稳定性分析是确保电路在不同操作条件下都能稳定工作的重要步骤。以下是一些常用的方法和步骤，可以帮助你进行电路的稳定性分析：

1. 直流工作点分析 (DC Operating Point Analysis)

确定电路在直流条件下的工作点，确保各个器件在其正常工作范围内工作。

2. 交流小信号分析 (AC Small Signal Analysis)

分析电路在小信号交流条件下的响应，确定增益和相位特性。具体步骤包括：

建立小信号等效电路。

计算传输函数(增益和相位)。

使用波特图 (Bode Plot) 分析增益和相位随频率变化的关系。

3. 反馈回路的稳定性分析

对于带反馈的电路，特别是放大器和控制系统，进行稳定性分析非常重要。

开环增益和相位分析：通过断开反馈回路，分析开环增益和相位特性。

奈奎斯特图 (Nyquist Plot)：绘制并分析奈奎斯特图，判断系统是否稳定。奈奎斯特判据是用来判断反馈系统稳定性的重要工具。

波特图 (Bode Plot)：使用波特图分析增益交越频率和相位裕度。增益裕度和相位裕度是衡量系统稳定性的重要参数。

4. 瞬态分析 (Transient Analysis)

模拟电路对瞬态输入(如阶跃、脉冲)的响应，观察输出是否稳定或出现振荡。通过仿真工具(如SPICE)进行瞬态分析可以提供电路动态性能的信息。

5. 根轨迹分析 (Root Locus Analysis)

绘制系统的根轨迹图，以观察系统极点随增益变化的轨迹。根轨迹图可以帮助理解系统极点的位置对系统稳定性的影响。

6. 极点-零点分析 (Pole-Zero Analysis)

分析系统的传递函数的极点和零点位置。系统的极点决定了系统的动态行为和稳定性。确保所有极点都在左半平面(S平面)以保证系统稳定。

7. 频率响应分析

频率响应测试：在不同频率下测试电路的响应，确保在设计频段内电路具有预期的响应特性。

8. 仿真工具

使用电路仿真软件(如SPICE、MATLAB/Simulink)进行稳定性分析，具体包括：

SPICE仿真：进行AC分析、瞬态分析和频率响应分析。

MATLAB/Simulink：利用控制系统工具箱进行开环和闭环稳定性分析。

实例：使用MATLAB/Simulink进行电路稳定性分析

假设我们有一个简单的反馈放大器电路，我们可以使用MATLAB/Simulink来进行稳定性分析。以下是基本步骤：

建立电路模型：在Simulink中搭建反馈放大器的模型。

开环分析：

插入“开环增益”模块，断开反馈回路。

使用“频率响应”工具绘制开环增益和相位的波特图。

闭环分析：

恢复反馈回路。

使用“根轨迹”工具绘制系统的根轨迹图。

使用“瞬态响应”工具模拟阶跃响应，观察系统是否稳定。