緊湊型數(shù)碼相機呼喚高集成度電源

數(shù)碼相機正在迅速取代膠卷相機，由于傳統(tǒng)的相機制造商和消費類電子制造商積極引進這一產(chǎn)品，導(dǎo)致市場的迅猛增長。由于高速邏輯、CCD圖像傳感器和顯示器需要在同一時刻高效供電，數(shù)碼相機中的電源管理設(shè)計非常困難。當(dāng)然，對電源空間、重量和熱量方面的要求也非?？量?，為了滿足這些設(shè)計要求，需要先進的PMIC。

一臺數(shù)碼相機可能需要六組或更多不同電壓來支持其工作。其中包括驅(qū)動系統(tǒng)邏輯、低電壓DSP核、快門驅(qū)動器、鏡頭馬達(dá)、CCD偏置、LCD偏置以及LCD背光等。圖1顯示了一個典型的緊湊型數(shù)碼相機的框圖。第一代數(shù)碼相機電源IC，以及目前仍在使用的有些產(chǎn)品，采用一個多通道PWM控制器，配合外部MOSFET和變壓器產(chǎn)生多組相機工作電壓。這種設(shè)計的局限性包括，比較差的效率，大量的外部元件，以及很大的電路尺寸等。盡管控制IC本身不貴，但整個電路的成本仍然很高，尤其是當(dāng)需要采用高性能MOSFET和變壓器來維持足夠的效率，以便節(jié)省有限的電池壽命時，其缺點更加突出。

圖1. 該框圖顯示了數(shù)碼相機需要的多種工作電壓。

提升集成度

過去幾年中，由于IC工藝的改進，已允許將更多的功能與功率開關(guān)集成在一起。更高的集成度，再加上更先進的IC封裝技術(shù)，造就了新一代的集成多功能電源IC。這類芯片能夠提供數(shù)碼相機需要的全部電壓，同時還顯著延長了電池壽命，大幅減少了元件數(shù)量。尤其突出的是，在許多設(shè)計中還省去了變壓器。這不僅降低了成本，同時還節(jié)省了設(shè)計時間，因為變壓器通常是供應(yīng)商沒有存貨的。變壓器是定制元件，需要專門訂貨―標(biāo)準(zhǔn)的、成品化的電感則沒有這些問題。

除了省去了變壓器，新一代電源IC還提升了工作頻率。這樣就縮小了元件的尺寸，由于每秒內(nèi)產(chǎn)生了更多的開關(guān)周期，因此每個開關(guān)周期內(nèi)需要儲存的能量更低了。結(jié)果是，電感量和濾波電容量降低了，電感和電容的尺寸也就減小了。降低電容量帶來的另外一個好處是，當(dāng)開關(guān)頻率升至500kHz以上時，濾波器所需電容量將小到足以采用陶瓷電容。陶瓷電容被證實比電解電容更為可靠，并具有非常低的ESR，有利于降低紋波。

可選擇的電源IC設(shè)計

圖2給出了一個用于緊湊型或袖珍型數(shù)碼相機的電源方案。其中的多數(shù)出IC包含了六組DC-DC轉(zhuǎn)換器。為數(shù)碼相機這樣的復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)大型IC的難點之一是，不同于PC，各款式數(shù)碼相機對電源的要求會有較大的差異。電池、CCD尺寸、顯示器和功能等方面的差異都會造成電源電壓及功率的顯著變化。考慮到不同相機之間的這種差異，最佳的電源芯片設(shè)計應(yīng)該是一種內(nèi)置/外接MOSFET轉(zhuǎn)換器的混合電路。采用片上MOSFET的轉(zhuǎn)換器用于提供耗電量比較大的電壓，而采用外部MOSFET的PWM通道可靈活用于其余的電壓輸出。

圖2. 這個用于小型數(shù)碼相機的高集成度電源集成了六組DC-DC電源轉(zhuǎn)換器。
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圖2所示電路利用高效率的內(nèi)部MOSFET通路為數(shù)碼相機提供3.3V主邏輯電源、低壓DSP核電源和5V電機電源。這些電源的工作時間最長，用電量最大。所以，它們從內(nèi)部MOSFET功率開關(guān)和同步整流器的獲益最大。這些轉(zhuǎn)換器的效率可以達(dá)到95%。其他用于CCD圖像傳感器、LCD顯示器和LED背光的電源不同設(shè)計會有較大差異，因此，最好采用外部MOSFET結(jié)構(gòu)，以便針對不同的CCD像素數(shù)和LCD顯示屏尺寸進行優(yōu)化設(shè)計。

對于CCD偏置電源,通常是利用變壓器產(chǎn)生正電壓(常常是+15V)和負(fù)電壓(-7.5V)輸出。然而，變壓器尺寸較大，當(dāng)高度受到限制時使用會有問題。在空間受限的設(shè)計中，就像緊湊型相機，基于電感的反相和升壓轉(zhuǎn)換器更受歡迎。當(dāng)像素數(shù)增加到3MP以上時情況更是如此，因為需要更高的輸出電流。變壓器的效率和尺寸局限這時會變得更加突出。本設(shè)計實例利用外接場管的升壓通道(AUX1)產(chǎn)生+15V同時供應(yīng)LCD和CCD偏置，外接場管的反相通道(AUX2)為CCD提供-7.5V偏壓。

較之一些高端相機，緊湊型數(shù)碼相機在功能方面也趨于緊湊。然而，一些比較小的袖珍型相機也開始提供一些原來只有大型相機才有的功能，例如光學(xué)變焦、自動對焦和更高的像素分辨率等。所有這些功能，尤其是用到馬達(dá)的機械功能，例如自動對焦，一般使用5V電源，并會吸收高達(dá)數(shù)百毫安甚至更高的峰值負(fù)載電流，盡管掛在電源上的平均負(fù)載僅有峰值的十分之一，但峰值的持續(xù)時間又太長，無法用一個低電流的電源加一個大電容來供應(yīng)。如果用電容來供應(yīng)峰值負(fù)載的話，電容器的尺寸將大到無法接受，因此升壓轉(zhuǎn)換器必須按照馬達(dá)負(fù)載的峰值電流來設(shè)計，這常常會高達(dá)1A。為了高效地驅(qū)動這種負(fù)載，需要采用高功率片上MOSFET (效率可高達(dá)95%)。

Buck/boost難題

在小型數(shù)碼相機中，兩電池結(jié)構(gòu)已成為主流。常用的有2節(jié)AA電池(堿性或鎳氫)或1節(jié)鋰電池。有時相機還會設(shè)計成同時兼容兩種電池。這種結(jié)構(gòu)會給電源設(shè)計者帶來一個特殊的挑戰(zhàn)，這是因為，有些時候需要將電池電壓提升起來以產(chǎn)生特定的工作電壓(例如3.3V)。而在其他時候，又必須將電池電壓降低來產(chǎn)生同樣的電壓。這就要求一種升/降壓(或buck/boost)設(shè)計。在老的相機設(shè)計中，有時采用反激(基于變壓器)設(shè)計解決此問題，巨大、笨拙而且相當(dāng)?shù)托А食３２坏?0%。

具有多組輸出的集成式設(shè)計可非常容易地得到buck/boost轉(zhuǎn)換器，只需用升壓電源來為降壓轉(zhuǎn)換器供電即可。這種方法在過去沒有被廣泛用于解決buck/boost難題，是因為它要求單獨的buck和boost級要有極高的效率，方可得到足夠的復(fù)合效率。不過，現(xiàn)在的電流模式升壓和降壓轉(zhuǎn)換器可達(dá)到95%的效率，復(fù)合效率可到90%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于反激和SEPIC設(shè)計所能達(dá)到的指標(biāo)。

在何種情況下、以何種方式構(gòu)建buck-boost轉(zhuǎn)換器取決于電池類型。兩節(jié)AA電池工作于1.8V至3.6V，而一節(jié)鋰電池工作于2.7V至4.2V。單節(jié)鋰電池供電的設(shè)計會需要buck/boost轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生3.3V。采用兩節(jié)AA電池的設(shè)計也可能會用到buck/boost轉(zhuǎn)換器，因為DSP核電源(典型為1.5V或1.8V)在電池重載時會由于沒有足夠的電壓余量而無法直接由電池驅(qū)動。在這兩種情況下，都可通過級連DC-DC轉(zhuǎn)換器得到高效的buck/boost轉(zhuǎn)換器。3.3V電源可以通過首先升壓至5V (VSU 5V，圖2)，然后降壓至3.3V得到(VM 3.3V，圖2)。1.8V電源同樣也可以用5V驅(qū)動降壓轉(zhuǎn)換器輸入(PVSD)而得到。當(dāng)然，采用單節(jié)鋰電池時，用于內(nèi)核的降壓電源可直接由電池驅(qū)動(正如圖2所示)。

緊湊型數(shù)碼相機很有可能采用更小的電池。當(dāng)然，電池越小對效率的要求也越高。另外，較小的電池?zé)o法象大電池那樣供應(yīng)峰值負(fù)載，系統(tǒng)電源管理必須頻繁地關(guān)閉不用的電源，以延長電池的使用時間。當(dāng)電源再次打開時，它不應(yīng)吸取會將電池電壓拉下來的大電流。圖2所示的集成電源以受控的速率逐漸提升各路輸入，因此在啟動轉(zhuǎn)換器時，輸入浪涌電流被減至最低。這同時也確保輸出以預(yù)知的方式上升，方便了電源排序。

加強可靠性和安全性

除了在單片IC中提供所必需的各種電壓外，集成電源還在同一芯片內(nèi)整合了電壓和故障監(jiān)視功能，如果采用分離電路實現(xiàn)這通常會用到大量的外圍元件。這對于可靠性和安全性都有好處。在圖2中，三路輸出信號給出了三組最重要電壓的狀態(tài)信息。SDOK-bar提供有關(guān)DSP核電源的狀態(tài)信息。在有些設(shè)計中，供給DSP芯片的3.3V電源需要在其核電壓穩(wěn)定之后方可啟動。SDOK-bar信號可送入處理器，或直接用來驅(qū)動一個P溝道MOSFET對3.3V電源進行門控。AUX1OK-bar用于其中一個PWM控制器可執(zhí)行相同的功能，為CCD或LCD偏置提供OK標(biāo)志。

類似于緊湊型數(shù)碼相機的便攜式設(shè)備有可能會面臨很惡劣的條件。它可能會跌落，受潮或被暴露于極端溫度下。電源設(shè)計雖然不能防止嚴(yán)酷條件的損害，但它有可能將傷害減至最小，并增強安全性，不利條件下進入關(guān)斷狀態(tài)即可做到這一點。另一方面，這種設(shè)計也不能太過敏感，否則，正常的負(fù)載瞬變也有可能使它關(guān)閉。通過監(jiān)視所有供電通道，高度的集成化能夠支持高度的安全性。如果任一通道被過載或短路超過200ms，所有電源將關(guān)閉。200ms延遲已足夠長，允許發(fā)生瞬態(tài)負(fù)載而不會錯誤觸發(fā)。故障標(biāo)志(SCF)通知系統(tǒng)有故障發(fā)生。另外，片上MOSFET還受到熱關(guān)斷的保護。

結(jié)語

顯然，像數(shù)碼相機這樣的高性能小型設(shè)備需要高性能的電源管理，高集成度方案是首選。除了僅需一片IC這種顯而易見的好處外，這種方案的優(yōu)勢還包括減少了無源元件量、顯著提高了效率、可簡單實現(xiàn)buck/boost拓?fù)湟约案涌煽康鹊取?/p>

審核編輯：郭婷