數(shù)碼相機(jī)電源電路設(shè)計(jì)及DC/DC變換器選擇
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隨著數(shù)碼相機(jī)近年來逐漸成為主流消費(fèi)電子產(chǎn)品后，消費(fèi)者對數(shù)碼相機(jī)功能的要求亦不斷提升，例如高像素、 短片拍攝功能、大LCD顯示屏、 大容量存儲器、小體積和輕重量等。在這種情況下，延長電池使用及備用時(shí)間成為了數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)工程師面臨的重要挑戰(zhàn)。本文將針對電源管理，尤其在DC/DC變換器上進(jìn)行探討及分析，并以實(shí)例說明。
主要電源模塊
現(xiàn)在，使用在數(shù)碼相機(jī)上的系統(tǒng)電源可以分為一個復(fù)合IC來完成不同輸出，以及由幾個DC/DC變換器組合來完成不同輸出。圖1的例子中采用了幾個DC/DC變換器組合來實(shí)現(xiàn)，其中CCD電源是通過使用變壓器來產(chǎn)生 15V和-5.5V電壓。這個電路中使用了VDD/VOUT分離型升壓DC/DC變換器(S-8357P50), 以PWM模式并通過外接晶體管進(jìn)行開關(guān)控制，輸出電壓可以通過改變變壓器匝數(shù)來產(chǎn)生需要的電壓。
1. I/F電源
I/F電源使用了PWM/PFM切換模式的升壓DC/DC變換器(S-8358P33)，常用輸出電壓為3.3V。因?yàn)槭峭饨覨ET，所以可以適用于500mA以上的大電流。另外，在使用如600kHz的高頻DC/DC產(chǎn)品時(shí)可以使用小型電感。CPU內(nèi)核電源常用輸出電壓是1.8V，所以會采用降壓DC/DC變換器(如S-8521E18)，使用PWM/PFM切換較理想，即使是消耗電流很低的情況下也可以通過PFM方式工作來提高效率。
2. 鏡頭驅(qū)動馬達(dá)用電源
鏡頭驅(qū)動馬達(dá)用的電源通常使用5V電壓，由于工作電流較大，所以會使用PWM控制模式及外接FET DC/DC(S-8357P50)。這個電路的特點(diǎn)是使用了單個DC/DC變換器，接線比較靈活，可以在基板上選取較為合適的地方安裝。而如果用一個復(fù)合IC來得到不同輸出電壓的話，接線會受到限制，無法合理利用基板的空間，可能導(dǎo)致基板面積增大。所以，使用單個DC/DC變換器可以達(dá)到小型化目的。
3. LCD驅(qū)動電源
圖2是產(chǎn)生LCD用正電壓和負(fù)電壓的應(yīng)用電路，它用一個升壓DC/DC變換器來產(chǎn)生正負(fù)電壓。電路中使用了VDD/VOUT分離型器件S-8356Q50，在Vout端子接口，通過使用電阻對輸出電壓進(jìn)行分壓，這樣可以調(diào)整輸出電壓。通過R1和R2正電壓可以達(dá)到很高，負(fù)電壓可以通過C1、SD3、SD2使正電壓反轉(zhuǎn)為負(fù)電壓。
在這個電路中，正電壓直接反轉(zhuǎn)為負(fù)電壓，所以正電壓和負(fù)電壓不會產(chǎn)生不平衡的電壓。需要不平衡電壓時(shí)，可在輸出端通過晶體管等做成穩(wěn)壓電路來穩(wěn)定電壓。
4. 白光LED用電源
圖3所示的電路是白光LED用電源。由于白光LED是電流控制，因此需要穩(wěn)定的電流。此電路中，流過LED的是穩(wěn)定電流。為控制各LED亮度偏差，LED采用串聯(lián)的方式排列。DC/DC變換器采用了S-8356Q15 VDD端子與VOUT端子分離型，輸出電壓為1.5V。 
在此電路中，決定流過LED電流大小的是R1電阻。即使各個LED的Vf有所偏差，A點(diǎn)的電壓也會被控制在1.5V。因此，如果20mA的電流流過LED，電阻值則為：1.5V÷20mA=75Ω。此電路的特點(diǎn)為：因?yàn)榱鬟^LED的是穩(wěn)定的電流，所以即使LED的vf有所偏差，各個LED的亮度也會是相同的。而且，由于采用了通用DC/DC變換器，可以很簡單地構(gòu)成所需電路。
電源設(shè)計(jì)決策
在選擇DC/DC變換器時(shí)，電路設(shè)計(jì)要注意輸出電流、高效率、小型化，輸出電壓要求：
1. 如需求的輸出電流較小，可選擇FET內(nèi)置型；輸出電流需要較大時(shí)，選擇外接FET類型。
2. 關(guān)于效率有以下考慮：如果需優(yōu)先考慮重負(fù)荷時(shí)的紋波電壓及消除噪音，可選擇PWM控制型；如果同時(shí)亦需重視低負(fù)荷時(shí)的效率，則可選擇PFM/PWM切換控制型。
3. 如要求小型化，則可選擇能使用小型線圈的高頻產(chǎn)品。
4. 在輸出電壓方面，如果輸出電壓需要達(dá)到固定電壓以上，或需要不固定的輸出電壓時(shí)，剛可選擇輸出可變的VDD/VOUT分離型產(chǎn)品。
1. PFM與PWM比較
PWM控制、PFM控制和PWM/PFM切換控制模式這三種控制方式各有各的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)： DC/DC變換器是通過與內(nèi)部頻率同步開關(guān)進(jìn)行升壓或降壓，通過變化開關(guān)次數(shù)進(jìn)行控制，從而得到與設(shè)定電壓相同的輸出電壓。PFM控制時(shí)，當(dāng)輸出電壓達(dá)到在設(shè)定電壓以上時(shí)即會停止開關(guān)，在下降到設(shè)定電壓前，DC/DC變換器不會進(jìn)行任何操作。但如果輸出電壓下降到設(shè)定電壓以下，DC/DC變換器會再次開始開關(guān)，使輸出電壓達(dá)到設(shè)定電壓。PWM控制也是與頻率同步進(jìn)行開關(guān)，但是它會在達(dá)到升壓設(shè)定值時(shí)，盡量減少流入線圈的電流，調(diào)整升壓使其與設(shè)定電壓保持一致。
與PWM相比，PFM的輸出電流小，但是因PFM控制的DC/DC變換器在達(dá)到設(shè)定電壓以上時(shí)就會停止動作，所以消耗的電流就會變得很小。因此，消耗電流的減少可改進(jìn)低負(fù)荷時(shí)的效率。PWM在低負(fù)荷時(shí)雖然效率較遜色，但是因其紋波電壓小，且開關(guān)頻率固定，所以噪聲濾波器設(shè)計(jì)比較容易，消除噪聲也較簡單。
若需同時(shí)具備PFM與PWM的優(yōu)點(diǎn)的話，可選擇PWM/PFM切換控制式DC/DC變換器。此功能是在重負(fù)荷時(shí)由PWM控制，低負(fù)荷時(shí)自動切換到PFM控制，即在一款產(chǎn)品中同時(shí)具備PWM的優(yōu)點(diǎn)與PFM的優(yōu)點(diǎn)。在備有待機(jī)模式的系統(tǒng)中，采用PFM/PWM切換控制的產(chǎn)品能得到較高效率。 
2. 高頻的優(yōu)點(diǎn)
通過實(shí)際測試PWM與PFM/PWM的效率，可以發(fā)現(xiàn)PWM/PFM切換的產(chǎn)品在低負(fù)荷時(shí)的效率較高。至于高頻方面，通過提高DC/DC變換器的頻率，可以實(shí)現(xiàn)大電流化、小型化和高效率化。但是，必須注意的是只有通過線圈的特性配合才可以提高效率。因?yàn)楫?dāng)DC/DC變換器高頻化后，由于開關(guān)次數(shù)隨之增加的原因，開關(guān)損失也會增大，從而導(dǎo)致效率會有所降低。因此，效率是由線圈性能提升與開關(guān)損失增加兩方面折衷決定的。
通過使用高效率的產(chǎn)品，相對可使用較低電感值的線圈，可以使用小型線圈，即使使用的是小型線圈也可得到相同的效率及輸出電流。
使用600kHz的S-8357N33及300kHz的S-8358F33，對前面線圈在電荷特性上所作的比較可以得出在效率上兩者具有相同的特性，輸出電流方面兩者都可得到200mA的電流。但是，如果將600kHz的DC/DC變換器所使用的小型線圈用在300kHz，就只能得到100mA左右的輸出電流，原因是Ipk已超過了該小型線圈的額定電流600mA，由此可證明高頻率化的確可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化目標(biāo)。
3. VDD/VOUT分離的使用方法
圖4說明了有關(guān)VDD/VOUT分離的DC/DC變換器使用原理及方法。在調(diào)整輸出電壓的時(shí)候，或是將輸出電壓設(shè)定在IC的絕對最大額定值以上時(shí)，使用VDD/VOUT分離的產(chǎn)品。圖4是VDD與VOUT分離的應(yīng)用電路圖。當(dāng)需輸出超過IC額定耐壓值時(shí)，VDD接在輸出電壓端。VOUT是經(jīng)過Ra、Rb分壓后的電壓，通過改變Ra和Rb的電阻值可以進(jìn)行電壓調(diào)整。
4. 外接器件選擇
除了需要關(guān)注DC/DC變換器本身的特性外, 外接組件的選擇也不能忽視。外接組件中的線圈、電容器和FET對于開關(guān)電源特性有著很大影響。這里所謂的特性是指輸出電流、輸出紋波電壓及效率。
線圈：如果需要追求高效率，最好選擇直流電阻和電感值較小的線圈。但是，如果電感值較小的線圈用于頻率較低的DC/DC，就會超過線圈的額定電流，線圈會產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象，引起效率惡化或損壞線圈。而且如果電感值太小，也會引起紋波電壓變大。所以在選擇線圈時(shí)，請注意流向線圈的電流不要超過線圈的額定電流。在選擇線圈時(shí)，需要根據(jù)輸出電流、DC/DC的頻率、線圈的電感值、線圈的額定電流和紋波電壓等條件綜合決定。
電容：輸出電容的容量越大，紋波電壓就越小。但是較大的容量也意味著較大的電容體積，所以請選擇最適合的容量。 
三極管：作為外接的三極管，與雙極晶體管相比，因FET的開關(guān)速度比較快，所以開關(guān)損耗會較小，效率會更高一些。
本文小結(jié)
數(shù)碼相機(jī)電源設(shè)計(jì)的器件選擇需要注意以下幾點(diǎn)：
1. 選擇設(shè)計(jì)靈活性較大的DC/DC變換器，擴(kuò)大電路設(shè)計(jì)的范圍。
2. 低消耗電流、高效率可延長電池的使用壽命。
3. 可使用小型的外接元器件，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化。
4. 有力的技術(shù)支持工具。
最后一點(diǎn)是在前面沒有提及的，在DC/DC設(shè)計(jì)過程中的技術(shù)支持亦是重要的環(huán)節(jié)。畢竟DC/DC在某中程度上是屬于半定制產(chǎn)品。DC/DC是標(biāo)準(zhǔn)的，但當(dāng)配上不同外接組件后可以得出不同的效率和輸出電壓。因此，DC/DC本身規(guī)格固然重要，但供貨商的技術(shù)支持亦不可忽視。技術(shù)支持的方式可分為2部分：一部分為硬件，包括提供評估線路板、外接組件支持；另一部分為提供一些模擬軟件，以便在實(shí)際測試前可以做出評估，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。
Email: sales@sih.com.hk
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