緊湊型數(shù)碼相機(jī)電源所需的高集成度

數(shù)碼相機(jī)正在迅速取代膠片相機(jī)。隨著傳統(tǒng)相機(jī)制造商和消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商迅速推出產(chǎn)品，市場正在擴(kuò)大。數(shù)碼相機(jī)的電源管理尤其困難，因?yàn)楦咚龠壿?、靈敏的CCD成像和顯示器必須同時高效供電。當(dāng)然，電源空間、重量和熱量也很重要。為了實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)，需要先進(jìn)的PMIC。

數(shù)碼相機(jī)可能需要六個或更多不同的電壓才能工作。其中包括系統(tǒng)邏輯電源、低壓 DSP 內(nèi)核、快門執(zhí)行器和鏡頭電機(jī)、CCD 偏置、LCD 偏置和 LCD 背光。典型的緊湊型數(shù)碼相機(jī)的框圖如圖1所示。用于數(shù)碼相機(jī)的第一代電源IC是，在某些情況下仍然是多通道PWM控制器IC，它與外部MOSFET和變壓器一起工作，以產(chǎn)生多個相機(jī)工作電壓。這些設(shè)計(jì)的局限性是效率低、外部元件數(shù)量大、電路尺寸大。雖然控制器IC本身價(jià)格低廉，但總電路成本可能很高，特別是如果需要高性能MOSFET和變壓器來保持效率，而不是浪費(fèi)有限的電池容量。

圖1.這個緊湊的數(shù)碼相機(jī)框圖顯示了各種工作電壓。

集成方面的進(jìn)展

過去幾年的IC工藝改進(jìn)使電源開關(guān)與其他功能更加集成。這種集成與IC封裝的進(jìn)步相結(jié)合，正在提供新一代集成多功能電源IC。這些芯片提供數(shù)碼相機(jī)所需的所有電壓，同時顯著延長電池壽命并大幅減少組件數(shù)量。特別重要的是，許多設(shè)計(jì)都消除了變壓器。這不僅降低了成本，而且加快了設(shè)計(jì)時間，因?yàn)樽儔浩魍ǔ２皇怯晒?yīng)商庫存的。變壓器是需要特殊訂購的定制元件，這是標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成電感器不需要的。

除了消除變壓器外，新型電源IC還提高了工作頻率。這樣可以減小元件尺寸，因?yàn)槿绻棵肟梢园l(fā)生更多的開關(guān)周期，則每個開關(guān)周期需要存儲的能量更少。因此，電感和濾波電容器值降低，電感和電容器尺寸減小。較小電容值的另一個好處是，在500kHz及以上時，濾波器值變得足夠小，可以容納陶瓷電容。陶瓷電容器已被證明比極化類型更可靠，并且具有非常低的ESR，從而減少了紋波。

可選電源 IC 設(shè)計(jì)

緊湊型或袖珍型數(shù)碼相機(jī)的典型電源如圖2所示。多輸出IC結(jié)合了六個DC-DC電源轉(zhuǎn)換器。為數(shù)碼相機(jī)等復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)大型IC的一個困難是，與PC不同，數(shù)碼相機(jī)電源并不完全相同。電池、CCD 尺寸、顯示屏和功能的差異都會在所需的電源電壓和所需功率方面產(chǎn)生顯著差異。由于不同相機(jī)之間存在這種差異，因此最佳的電源IC設(shè)計(jì)是內(nèi)部和外部MOSFET轉(zhuǎn)換器的混合。片內(nèi) MOSFET 用于功耗最高的電壓，而外部 MOSFET PWM 通道則為剩余電壓保留靈活性。

圖2.這款用于小型數(shù)碼相機(jī)的高度集成電源集成了六個DC-DC電源轉(zhuǎn)換器。
對于更大的圖像

圖2所示設(shè)計(jì)使用高效率內(nèi)部MOSFET通道作為相機(jī)的3.3V主邏輯電源、低壓DSP內(nèi)核和5V電機(jī)電源。這些電源工作時間最長，和/或使用最多的電池電量。因此，它們從內(nèi)部 MOSFET 功率開關(guān)和同步整流提供的高效率中獲益最多。這些電源的功率轉(zhuǎn)換效率接近95%。CCD 圖像傳感器、LCD 顯示屏和 LED 背光的附加電壓因設(shè)計(jì)而異。因此，它們是外部FET通道的良好候選者，可以針對不同的CCD像素?cái)?shù)和LCD屏幕尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

對于CCD偏置，設(shè)計(jì)通常使用變壓器產(chǎn)生正（通常為+15V）和負(fù)（-7.5V）輸出。但是，變壓器很大，如果施加高度限制，會造成特別的困難。在空間有限的設(shè)計(jì)中，如緊湊型相機(jī)，首選使用基于電感的逆變器和升壓轉(zhuǎn)換器。當(dāng)像素?cái)?shù)上升到3MP及以上時尤其如此，這會增加所需的電流。變壓器效率和尺寸限制變得更加重要。設(shè)計(jì)示例通過外部FET升壓通道（AUX1）為LCD和CCD偏置產(chǎn)生+15V電壓，在外部FET反相通道（AUX2）下為負(fù)CCD偏置產(chǎn)生-7.5V電壓。

與高端型號相比，緊湊型數(shù)碼相機(jī)往往節(jié)省功能。盡管如此，較小的袖珍相機(jī)開始包含更大的相機(jī)功能，例如光學(xué)變焦，自動對焦和更高的像素分辨率。所有這些功能，特別是需要電機(jī)的機(jī)械功能，如自動對焦，通常使用5V電源，并消耗幾百毫安或更高的高峰值負(fù)載。盡管該電源的平均負(fù)載可能只有其峰值的十分之一，但瞬時峰值不夠短，無法使用低電流電源和大電容器。電容尺寸很快就會變得令人望而卻步，因此升壓轉(zhuǎn)換器的額定峰值電機(jī)負(fù)載電流通常高達(dá)1A。需要高功率片內(nèi)MOSFET來有效地為該負(fù)載供電（高達(dá)95%）。

降壓/升壓問題

兩種電池配置已成為小型數(shù)碼相機(jī)最受歡迎的配置。這些是 2 節(jié) AA（堿性或鎳氫）和 1 節(jié) Li+ 電池。有時，相機(jī)可能設(shè)計(jì)為同時使用兩種電池配置。這對電源設(shè)計(jì)人員來說尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵谀承┣闆r下，必須對電池進(jìn)行升壓以產(chǎn)生某些工作電壓（例如3.3V）。在其他情況下，必須將其降壓以產(chǎn)生相同的電壓。這需要升壓/降壓（或降壓/升壓）設(shè)計(jì)。在較舊的相機(jī)設(shè)計(jì)中，這是通過反激式（基于變壓器）的設(shè)計(jì)完成的，這些設(shè)計(jì)很大、笨拙且效率相當(dāng)?shù)拖隆ǔＰ什怀^ 70%。

具有多個輸出的集成設(shè)計(jì)使得創(chuàng)建降壓/升壓轉(zhuǎn)換器變得容易，因?yàn)樯龎弘娫纯捎糜跒榻祲弘娫垂╇?。這種方法不常用于解決降壓/升壓問題，因?yàn)樗枰獑为?dú)的降壓和升壓級具有出色的效率，以提供足夠的組合效率。但現(xiàn)在電流模式升壓和降壓轉(zhuǎn)換器可以達(dá)到95%，組合效率達(dá)到90%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于反激式和SEPIC設(shè)計(jì)。

何時以及如何組合級以實(shí)現(xiàn)降壓-升壓操作取決于電池類型。由兩節(jié)AA電池組成的電池工作電壓約為1.8V至3.6V，而Li+電池的工作電壓范圍為2.7V至4.2V。Li+供電設(shè)計(jì)可能需要降壓/升壓轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生3.3V電壓。使用兩節(jié)AA電池的設(shè)計(jì)可能還需要一個降壓/升壓轉(zhuǎn)換器，因?yàn)楫?dāng)電池負(fù)載嚴(yán)重時，DSP內(nèi)核（通常為1.5V或1.8V）電源可能沒有足夠的裕量從電池供電。在這兩種情況下，都可以通過級聯(lián)DC-DC轉(zhuǎn)換器級來制造高效的降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。通過首先升壓至5V （V蘇5V，圖 2），然后降壓至 3.3V（VM 3.3V，圖 2）。通過從5V為降壓輸入（PVSD）供電，可以采用相同的方式提供1.8V電源。當(dāng)然，當(dāng)使用Li+電池時，內(nèi)核降壓電源可以直接由電池供電（如圖2所示）。

緊湊型數(shù)碼相機(jī)的電池可能更小。當(dāng)然，當(dāng)使用較小的電池時，需要高效率。此外，較小的電池?zé)o法提供與較大電池相同的負(fù)載峰值。系統(tǒng)電源管理必須經(jīng)常關(guān)閉未使用的電源以延長電池壽命。當(dāng)電源重新打開時，它們不得吸收大電流，從而降低電池電壓。圖2中的集成電源以受控速率斜坡上升每個輸入，使每個輸出在激活時將輸入電流浪涌降至最低。這也確保了輸出以可預(yù)測的方式上升，以便進(jìn)行排序。

可靠性和安全性增強(qiáng)

除了提供必要的電壓外，還有一個 IC、集成電源電路為電壓和故障監(jiān)控提供了優(yōu)勢，這通常需要大量外部元件。這對可靠性和安全性都有好處。在圖2中，三個輸出給出了三個最關(guān)鍵電壓的狀態(tài)。/SDOK提供為DSP內(nèi)核供電的電源狀態(tài)。在某些設(shè)計(jì)中，在DSP內(nèi)核電源處于穩(wěn)壓狀態(tài)之前，無法激活DSP芯片的3.3V電源。/SDOK可以向處理器發(fā)出信號，或直接驅(qū)動一個P溝道MOSFET，該MOSFET負(fù)責(zé)控制3.3V電源。/AUX1OK 可以對其中一個 PWM 控制器執(zhí)行相同的功能，并為 CCD 或 LCD 偏置提供 OK 標(biāo)志。

像緊湊型數(shù)碼相機(jī)這樣的便攜式設(shè)備可能會受到惡劣條件的影響。它可能會掉落、弄濕或暴露在極端溫度下。電源設(shè)計(jì)無法防止惡劣條件造成的損壞，但它可以通過在出現(xiàn)不利條件時關(guān)閉來最大限度地減少損壞并提高安全性。另一方面，設(shè)計(jì)不能太敏感，否則可能會在正常負(fù)載瞬變期間關(guān)閉。高集成度通過監(jiān)控所有電源通道支持高安全級別。如果任何通道過載或短路超過 200 毫秒，則所有電源都將關(guān)閉。200ms的延遲足夠長，允許負(fù)載瞬變發(fā)生而不會發(fā)生誤觸發(fā)。故障標(biāo)志 （SCF） 可以告知系統(tǒng)發(fā)生了故障。此外，片內(nèi) MOSFET 還受到熱關(guān)斷保護(hù)。

結(jié)論

顯然，數(shù)碼相機(jī)等小型設(shè)備的高性能電源管理最好通過高集成度來實(shí)現(xiàn)。除了只需要一個IC的明顯優(yōu)勢外，優(yōu)勢還包括無源元件減少、效率顯著提高、降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡單實(shí)現(xiàn)以及可靠性的提高。

審核編輯：郭婷