數(shù)碼相機(jī)正在迅速取代膠卷相機(jī)，由于傳統(tǒng)的相機(jī)制造商和消費(fèi)類(lèi)電子制造商積極引進(jìn)這一產(chǎn)品，導(dǎo)致市場(chǎng)的迅猛增長(zhǎng)。由于高速邏輯、CCD圖像傳感器和顯示器需要在同一時(shí)刻高效供電，數(shù)碼相機(jī)中的電源管理設(shè)計(jì)非常困難。當(dāng)然，對(duì)電源空間、重量和熱量方面的要求也非常苛刻，為了滿足這些設(shè)計(jì)要求，需要先進(jìn)的PMIC。

一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)可能需要六組或更多不同電壓來(lái)支持其工作。其中包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)邏輯、低電壓DSP核、快門(mén)驅(qū)動(dòng)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(gè)典型的緊湊型數(shù)碼相機(jī)的框圖。第一代數(shù)碼相機(jī)電源IC，以及目前仍在使用的有些產(chǎn)品，采用一個(gè)多通道PWM控制器，配合外部MOSFET和變壓器產(chǎn)生多組相機(jī)工作電壓。這種設(shè)計(jì)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(gè)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(lái)維持足夠的效率，以便節(jié)省有限的電池壽命時(shí)，其缺點(diǎn)更加突出。

圖1. 該框圖顯示了數(shù)碼相機(jī)需要的多種工作電壓。

提升集成度

過(guò)去幾年中，由于IC工藝的改進(jìn)，已允許將更多的功能與功率開(kāi)關(guān)集成在一起。更高的集成度，再加上更先進(jìn)的IC封裝技術(shù)，造就了新一代的集成多功能電源IC。這類(lèi)芯片能夠提供數(shù)碼相機(jī)需要的全部電壓，同時(shí)還顯著延長(zhǎng)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(jì)中還省去了變壓器。這不僅降低了成本，同時(shí)還節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，因?yàn)樽儔浩魍ǔＪ枪?yīng)商沒(méi)有存貨的。變壓器是定制元件，需要專(zhuān)門(mén)訂貨―標(biāo)準(zhǔn)的、成品化的電感則沒(méi)有這些問(wèn)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(kāi)關(guān)周期，因此每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)需要儲(chǔ)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(lái)的另外一個(gè)好處是，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率升至500kHz以上時(shí)，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(shí)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(jì)

圖2給出了一個(gè)用于緊湊型或袖珍型數(shù)碼相機(jī)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(jī)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)大型IC的難點(diǎn)之一是，不同于PC，各款式數(shù)碼相機(jī)對(duì)電源的要求會(huì)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(huì)造成電源電壓及功率的顯著變化。考慮到不同相機(jī)之間的這種差異，最佳的電源芯片設(shè)計(jì)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(gè)用于小型數(shù)碼相機(jī)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(jī)提供3.3V主邏輯電源、低壓DSP核電源和5V電機(jī)電源。這些電源的工作時(shí)間最長(zhǎng)，用電量最大。所以，它們從內(nèi)部MOSFET功率開(kāi)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(jì)會(huì)有較大差異，因此，最好采用外部MOSFET結(jié)構(gòu)，以便針對(duì)不同的CCD像素?cái)?shù)和LCD顯示屏尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)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(shí)使用會(huì)有問(wèn)題。在空間受限的設(shè)計(jì)中，就像緊湊型相機(jī)，基于電感的反相和升壓轉(zhuǎn)換器更受歡迎。當(dāng)像素?cái)?shù)增加到3MP以上時(shí)情況更是如此，因?yàn)樾枰叩妮敵?a href="http://www.asorrir.com/tags/電流/" target="_blank">電流。變壓器的效率和尺寸局限這時(shí)會(huì)變得更加突出。本設(shè)計(jì)實(shí)例利用外接場(chǎng)管的升壓通道(AUX1)產(chǎn)生+15V同時(shí)供應(yīng)LCD和CCD偏置，外接場(chǎng)管的反相通道(AUX2)為CCD提供-7.5V偏壓。

較之一些高端相機(jī)，緊湊型數(shù)碼相機(jī)在功能方面也趨于緊湊。然而，一些比較小的袖珍型相機(jī)也開(kāi)始提供一些原來(lái)只有大型相機(jī)才有的功能，例如光學(xué)變焦、自動(dòng)對(duì)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(jī)械功能，例如自動(dòng)對(duì)焦，一般使用5V電源，并會(huì)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(shí)間又太長(zhǎng)，無(wú)法用一個(gè)低電流的電源加一個(gè)大電容來(lái)供應(yīng)。如果用電容來(lái)供應(yīng)峰值負(fù)載的話，電容器的尺寸將大到無(wú)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(lái)設(shè)計(jì)，這常常會(huì)高達(dá)1A。為了高效地驅(qū)動(dòng)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(jī)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(shí)相機(jī)還會(huì)設(shè)計(jì)成同時(shí)兼容兩種電池。這種結(jié)構(gòu)會(huì)給電源設(shè)計(jì)者帶來(lái)一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)椋行r(shí)候需要將電池電壓提升起來(lái)以產(chǎn)生特定的工作電壓(例如3.3V)。而在其他時(shí)候，又必須將電池電壓降低來(lái)產(chǎn)生同樣的電壓。這就要求一種升/降壓(或buck/boost)設(shè)計(jì)。在老的相機(jī)設(shè)計(jì)中，有時(shí)采用反激(基于變壓器)設(shè)計(jì)解決此問(wèn)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(jì)可非常容易地得到buck/boost轉(zhuǎn)換器，只需用升壓電源來(lái)為降壓轉(zhuǎn)換器供電即可。這種方法在過(guò)去沒(méi)有被廣泛用于解決buck/boost難題，是因?yàn)樗髥为?dú)的buck和boost級(jí)要有極高的效率，方可得到足夠的復(fù)合效率。不過(guò)，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(jì)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(lèi)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(jì)會(huì)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(jì)也可能會(huì)用到buck/boost轉(zhuǎn)換器，因?yàn)镈SP核電源(典型為1.5V或1.8V)在電池重載時(shí)會(huì)由于沒(méi)有足夠的電壓余量而無(wú)法直接由電池驅(qū)動(dòng)。在這兩種情況下，都可通過(guò)級(jí)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(guò)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(dòng)降壓轉(zhuǎn)換器輸入(PVSD)而得到。當(dāng)然，采用單節(jié)鋰電池時(shí)，用于內(nèi)核的降壓電源可直接由電池驅(qū)動(dòng)(正如圖2所示)。

緊湊型數(shù)碼相機(jī)很有可能采用更小的電池。當(dāng)然，電池越小對(duì)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(zhǎng)電池的使用時(shí)間。當(dāng)電源再次打開(kāi)時(shí)，它不應(yīng)吸取會(huì)將電池電壓拉下來(lái)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(dòng)轉(zhuǎn)換器時(shí)，輸入浪涌電流被減至最低。這同時(shí)也確保輸出以預(yù)知的方式上升，方便了電源排序。

加強(qiáng)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(shí)現(xiàn)這通常會(huì)用到大量的外圍元件。這對(duì)于可靠性和安全性都有好處。在圖2中，三路輸出信號(hào)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(jì)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(dòng)。SDOK-bar信號(hào)可送入處理器，或直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)P溝道MOSFET對(duì)3.3V電源進(jìn)行門(mén)控。AUX1OK-bar用于其中一個(gè)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(lèi)似于緊湊型數(shù)碼相機(jī)的便攜式設(shè)備有可能會(huì)面臨很惡劣的條件。它可能會(huì)跌落，受潮或被暴露于極端溫度下。電源設(shè)計(jì)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(qiáng)安全性，不利條件下進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)即可做到這一點(diǎn)。另一方面，這種設(shè)計(jì)也不能太過(guò)敏感，否則，正常的負(fù)載瞬變也有可能使它關(guān)閉。通過(guò)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(guò)載或短路超過(guò)200ms，所有電源將關(guān)閉。200ms延遲已足夠長(zhǎng)，允許發(fā)生瞬態(tài)負(fù)載而不會(huì)錯(cuò)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(hù)。

結(jié)語(yǔ)

顯然，像數(shù)碼相機(jī)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(jiàn)的好處外，這種方案的優(yōu)勢(shì)還包括減少了無(wú)源元件量、顯著提高了效率、可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)buck/boost拓?fù)湟约案涌煽康鹊取?/p>

審核編輯：郭婷