換個(gè)角度思考 看隔離數(shù)字電源的另一種選擇

我的同事Chris Keeser正在研究SoC">PSoC5LP開(kāi)關(guān)電容模塊，發(fā)現(xiàn)了該產(chǎn)品的一個(gè)隱藏特性。SoC">PSoC的入門(mén)設(shè)計(jì)工具PSoCCreator中并沒(méi)有提到這個(gè)特性，參考手冊(cè)提到了，但只是非常簡(jiǎn)略地一筆帶過(guò)。您會(huì)問(wèn)，這到底是什么特性?這就是開(kāi)關(guān)電容模塊中內(nèi)置的一階Sigma-Delta調(diào)制器模式。

那么，為什么這會(huì)對(duì)電源設(shè)計(jì)有用呢?下面我就來(lái)一步步分析?？纯茨募彝セ蜣k公室，您會(huì)發(fā)現(xiàn)各種電子系統(tǒng)，大多數(shù)電子系統(tǒng)乃至全部電子系統(tǒng)都要通過(guò)電源將較高的AC電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低的DC電壓。為了安全，這種轉(zhuǎn)換過(guò)程需要高度隔離。這里需要考慮一個(gè)進(jìn)退兩難的問(wèn)題，大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源都必須在沒(méi)有DC電流的空隙上調(diào)節(jié)輸出。怎么調(diào)節(jié)輸出呢?解決這個(gè)問(wèn)題的常見(jiàn)經(jīng)典方法就是結(jié)合誤差放大器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以及偏置光耦合器，如圖1所示，實(shí)現(xiàn)安全空隙的橋接。這是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的例子，并不能描述所有可能的隔離設(shè)計(jì)情況，不過(guò)這也能說(shuō)明問(wèn)題?！　?/p>

可以使用經(jīng)過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的光耦合器，而且往往比較成功，但(或許您已經(jīng)知道了)光耦合器是多變不定的。兩個(gè)具有相同部件號(hào)的相鄰光耦合器在傳輸特性方面可能大不相同(部件的正常制造差異)。傳輸特性會(huì)隨著部件的老化而發(fā)生明顯變化。再加上采用如圖1所示的偏置配置，其傳輸特性通常是非線(xiàn)性的，這就會(huì)引發(fā)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。由于這些因素的存在，要設(shè)計(jì)出適合大規(guī)模生產(chǎn)且經(jīng)久耐用的電源，就會(huì)面對(duì)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

數(shù)字隔離器相對(duì)于普通光耦合器而言具備一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，即輸入到輸出的關(guān)系基本是一比一，而且不會(huì)變化。此外，信息傳輸?shù)乃俣纫卜浅？?。?shù)字隔離器的技術(shù)障礙在于它的二進(jìn)制特性，這與圖1的例子形成對(duì)比。數(shù)字隔離器善于傳輸數(shù)據(jù)，而不是原始的模擬信號(hào)。這就是Sigma-Delta調(diào)制器能夠發(fā)揮作用的地方了。

基本說(shuō)來(lái)，Sigma-Delta調(diào)制器能將特定范圍的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚俦忍亓?，這個(gè)密度流代表著模擬信號(hào)。要記住，這不是數(shù)據(jù)包，而是原始比特流。圖2給出了一個(gè)例子。請(qǐng)注意，這張圖是從右到左畫(huà)的，可以簡(jiǎn)化分析，這與本文所有其他示意圖中控制信號(hào)流相對(duì)應(yīng)。模擬信號(hào)被驅(qū)動(dòng)進(jìn)入調(diào)制器。Sigma-Delta調(diào)制器將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?和0組成的高速流，平均加權(quán)與輸入信號(hào)成正比。原始信號(hào)可在另一端通過(guò)數(shù)字處理(IIR、抽取或其他濾波方式)或簡(jiǎn)單的模擬濾波進(jìn)行重構(gòu)?！　?/p>

這樣，圖1中的模擬理念轉(zhuǎn)變成了圖3所示的數(shù)字理念。光耦合器被數(shù)字隔離器所取代。這樣，偏置或部件差異問(wèn)題基本就不存在了，至少對(duì)我所用的這個(gè)數(shù)字隔離器來(lái)說(shuō)是這樣。偏置電路也被消除。Sigma-Delta調(diào)制器與模擬補(bǔ)償和可編程參照生成功能相結(jié)合，形成一種適用于電源應(yīng)用的小型混合數(shù)字與模擬控制策略。這樣做的好處在于可將功能集成在單一可編程SoC上。集成優(yōu)勢(shì)還不僅限于此，可編程SoC還包括數(shù)字處理以及可編程數(shù)字功能?！　?/p>

當(dāng)然，結(jié)合使用Sigma-Delta調(diào)制器和數(shù)字隔離器來(lái)傳輸模擬信息的這種方式不太可能適合所有設(shè)計(jì)，特別是對(duì)于性能要求相對(duì)較低的極端成本敏感型應(yīng)用而言更是如此。不過(guò)，數(shù)字技術(shù)的不斷普及和集成的持續(xù)推進(jìn)使得這種理念在某些系統(tǒng)中極具吸引力，例如服務(wù)器電源和微型逆變器等高密度復(fù)雜系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，跨越隔離邊界傳輸數(shù)字與模擬組合信息需要不止一個(gè)通道。因此，可將各個(gè)獨(dú)立光耦合器用單個(gè)多通道數(shù)字隔離器完全取代，用以傳輸數(shù)字與模擬混合信息。圖4中，使用一個(gè)四通道隔離器傳輸Sigma-Delta轉(zhuǎn)換的兩個(gè)高速模擬信號(hào)以及一對(duì)全雙工UART通訊信號(hào)。　　

我工作所涉及的所有電源平臺(tái)都在向更低成本、更高密度和效率方向發(fā)展。說(shuō)到底，這將推進(jìn)更強(qiáng)大的集成策略發(fā)展，也就是說(shuō)能通過(guò)改變來(lái)不斷改進(jìn)，同時(shí)還要減少組件?？删幊蘏oC能有效滿(mǎn)足這一需求。從工程師的角度來(lái)看，我個(gè)人認(rèn)為Sigma-Delta調(diào)制器是一個(gè)很酷的功能，有助于集成趨勢(shì)發(fā)展，特別有利于滿(mǎn)足電源應(yīng)用的需求。