我的同事Chris Keeser正在研究SoC">PSoC5LP開關電容模塊，發現了該產品的一個隱藏特性。SoC">PSoC的入門設計工具PSoCCreator中并沒有提到這個特性，參考手冊提到了，但只是非常簡略地一筆帶過。您會問，這到底是什么特性?這就是開關電容模塊中內置的一階Sigma-Delta調制器模式。
那么，為什么這會對電源設計有用呢?下面我就來一步步分析。看看您的家庭或辦公室，您會發現各種電子系統，大多數電子系統乃至全部電子系統都要通過電源將較高的AC電壓轉變為較低的DC電壓。為了安全，這種轉換過程需要高度隔離。這里需要考慮一個進退兩難的問題，大多數開關電源都必須在沒有DC電流的空隙上調節輸出。怎么調節輸出呢?解決這個問題的常見經典方法就是結合誤差放大器和補償網絡以及偏置光耦合器，如圖1所示，實現安全空隙的橋接。這是一個比較簡單的例子，并不能描述所有可能的隔離設計情況，不過這也能說明問題。
可以使用經過適當設計的光耦合器，而且往往比較成功，但(或許您已經知道了)光耦合器是多變不定的。兩個具有相同部件號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)。傳輸特性會隨著部件的老化而發生明顯變化。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性的，這就會引發整個系統的穩定性問題。由于這些因素的存在，要設計出適合大規模生產且經久耐用的電源，就會面對相當大的挑戰。
數字隔離器相對于普通光耦合器而言具備一項優勢，即輸入到輸出的關系基本是一比一，而且不會變化。此外，信息傳輸的速度也非常快。數字隔離器的技術障礙在于它的二進制特性，這與圖1的例子形成對比。數字隔離器善于傳輸數據，而不是原始的模擬信號。這就是Sigma-Delta調制器能夠發揮作用的地方了。
基本說來，Sigma-Delta調制器能將特定范圍的模擬信號轉變為高速比特流，這個密度流代表著模擬信號。要記住，這不是數據包，而是原始比特流。圖2給出了一個例子。請注意，這張圖是從右到左畫的，可以簡化分析，這與本文所有其他示意圖中控制信號流相對應。模擬信號被驅動進入調制器。Sigma-Delta調制器將信號轉變為由1和0組成的高速流，平均加權與輸入信號成正比。原始信號可在另一端通過數字處理(IIR、抽取或其他濾波方式)或簡單的模擬濾波進行重構。
這樣，圖1中的模擬理念轉變成了圖3所示的數字理念。光耦合器被數字隔離器所取代。這樣，偏置或部件差異問題基本就不存在了，至少對我所用的這個數字隔離器來說是這樣。偏置電路也被消除。Sigma-Delta調制器與模擬補償和可編程參照生成功能相結合，形成一種適用于電源應用的小型混合數字與模擬控制策略。這樣做的好處在于可將功能集成在單一可編程SoC上。集成優勢還不僅限于此，可編程SoC還包括數字處理以及可編程數字功能。
當然，結合使用Sigma-Delta調制器和數字隔離器來傳輸模擬信息的這種方式不太可能適合所有設計，特別是對于性能要求相對較低的極端成本敏感型應用而言更是如此。不過，數字技術的不斷普及和集成的持續推進使得這種理念在某些系統中極具吸引力，例如服務器電源和微型逆變器等高密度復雜系統。在這些系統中，跨越隔離邊界傳輸數字與模擬組合信息需要不止一個通道。因此，可將各個獨立光耦合器用單個多通道數字隔離器完全取代，用以傳輸數字與模擬混合信息。圖4中，使用一個四通道隔離器傳輸Sigma-Delta轉換的兩個高速模擬信號以及一對全雙工UART通訊信號。
我工作所涉及的所有電源平臺都在向更低成本、更高密度和效率方向發展。說到底，這將推進更強大的集成策略發展，也就是說能通過改變來不斷改進，同時還要減少組件。可編程SoC能有效滿足這一需求。從工程師的角度來看，我個人認為Sigma-Delta調制器是一個很酷的功能，有助于集成趨勢發展，特別有利于滿足電源應用的需求。
京公網安備 11010502049343號