换个角度思考 看隔离数字电源的另一种选择

我的同事Chris Keeser正在研究SoC">PSoC5LP开关电容模块，发现了该产品的一个隐藏特性。SoC">PSoC的入门设计工具PSoCCreator中并没有提到这个特性，参考手册提到了，但只是非常简略地一笔带过。您会问，这到底是什么特性?这就是开关电容模块中内置的一阶Sigma-Delta调制器模式。

那么，为什么这会对电源设计有用呢?下面我就来一步步分析。看看您的家庭或办公室，您会发现各种电子系统，大多数电子系统乃至全部电子系统都要通过电源将较高的AC电压转变为较低的DC电压。为了安全，这种转换过程需要高度隔离。这里需要考虑一个进退两难的问题，大多数开关电源都必须在没有DC电流的空隙上调节输出。怎么调节输出呢?解决这个问题的常见经典方法就是结合误差放大器和补偿网络以及偏置光耦合器，如图1所示，实现安全空隙的桥接。这是一个比较简单的例子，并不能描述所有可能的隔离设计情况，不过这也能说明问题。　　

可以使用经过适当设计的光耦合器，而且往往比较成功，但(或许您已经知道了)光耦合器是多变不定的。两个具有相同部件号的相邻光耦合器在传输特性方面可能大不相同(部件的正常制造差异)。传输特性会随着部件的老化而发生明显变化。再加上采用如图1所示的偏置配置，其传输特性通常是非线性的，这就会引发整个系统的稳定性问题。由于这些因素的存在，要设计出适合大规模生产且经久耐用的电源，就会面对相当大的挑战。

数字隔离器相对于普通光耦合器而言具备一项优势，即输入到输出的关系基本是一比一，而且不会变化。此外，信息传输的速度也非常快。数字隔离器的技术障碍在于它的二进制特性，这与图1的例子形成对比。数字隔离器善于传输数据，而不是原始的模拟信号。这就是Sigma-Delta调制器能够发挥作用的地方了。

基本说来，Sigma-Delta调制器能将特定范围的模拟信号转变为高速比特流，这个密度流代表着模拟信号。要记住，这不是数据包，而是原始比特流。图2给出了一个例子。请注意，这张图是从右到左画的，可以简化分析，这与本文所有其他示意图中控制信号流相对应。模拟信号被驱动进入调制器。Sigma-Delta调制器将信号转变为由1和0组成的高速流，平均加权与输入信号成正比。原始信号可在另一端通过数字处理(IIR、抽取或其他滤波方式)或简单的模拟滤波进行重构。　　

这样，图1中的模拟理念转变成了图3所示的数字理念。光耦合器被数字隔离器所取代。这样，偏置或部件差异问题基本就不存在了，至少对我所用的这个数字隔离器来说是这样。偏置电路也被消除。Sigma-Delta调制器与模拟补偿和可编程参照生成功能相结合，形成一种适用于电源应用的小型混合数字与模拟控制策略。这样做的好处在于可将功能集成在单一可编程SoC上。集成优势还不仅限于此，可编程SoC还包括数字处理以及可编程数字功能。　　

当然，结合使用Sigma-Delta调制器和数字隔离器来传输模拟信息的这种方式不太可能适合所有设计，特别是对于性能要求相对较低的极端成本敏感型应用而言更是如此。不过，数字技术的不断普及和集成的持续推进使得这种理念在某些系统中极具吸引力，例如服务器电源和微型逆变器等高密度复杂系统。在这些系统中，跨越隔离边界传输数字与模拟组合信息需要不止一个通道。因此，可将各个独立光耦合器用单个多通道数字隔离器完全取代，用以传输数字与模拟混合信息。图4中，使用一个四通道隔离器传输Sigma-Delta转换的两个高速模拟信号以及一对全双工UART通讯信号。　　

我工作所涉及的所有电源平台都在向更低成本、更高密度和效率方向发展。说到底，这将推进更强大的集成策略发展，也就是说能通过改变来不断改进，同时还要减少组件。可编程SoC能有效满足这一需求。从工程师的角度来看，我个人认为Sigma-Delta调制器是一个很酷的功能，有助于集成趋势发展，特别有利于满足电源应用的需求。