數碼相機設計中的集成電源器件

2004年7月B版

　　當數碼相機(DSC)的設計者開發(fā)新型電源子系統(tǒng)時，會面臨一些重復出現的問題。除了性能、成本、功率消耗和尺寸等要進行明顯的折衷外，DSC設計者現在還要面臨市場的問題。這些壓力一起促使半導體器件供應商使用更先進的制造技術，創(chuàng)造新的集成電源解決方案，解決所有這些問題。

　　作為一個比較新的產品，DSC的市場增長相當迅速。一些產業(yè)分析員預測它每年會有30%以上的增長。這樣的增長水平正推動新產品的廣泛開發(fā)，已從市場分析和產品定義階段發(fā)展到實際設計階段。對于消費類電子制造商而言，投放市場的時間是一個關鍵因素，與其它因素相比，它對DSC市場影響會更大。

　　擴大DSC市場和加快上市時間這兩個壓力對新產品開發(fā)帶來了巨大的沖擊，尤其是對電源子系統(tǒng)的設計沖擊更大。在市場的一端，使用后即可丟棄、單一用途的數碼相機已經達到平衡。在另一端，替代單鏡頭反射照相機、具有專業(yè)品質的設備也已得到廣泛普及。為了滿足不同產品的需要，針對這些產品的電源設計要求和部件等級在尺寸和應用范圍上非常多樣化。

　　設計者經常面對一些基本問題：什么是數碼相機？消費者希望DSC提供什么功能？例如，一些消費者滿足于低分辨率，短視頻采集能力的設備；而另一些消費者則希望有長時間、高品質的視頻設備，因此DSC產品和視頻可攜式攝像機之間的界限可能很快就會模糊不清。同樣，在競爭非常激烈的DSC市場中，為了能超過對手處于顯著位置，則要推出新功能，這意味著對電源系統(tǒng)設計者也同樣不斷提出新的挑戰(zhàn)。

消費者的期望

　　當然，消費者的需求推動市場。DSC消費者知道自己想要什么樣的照相機，包括：性能、價格、尺寸、形狀和較長電池壽命等因素。這些期望將會影響照相機和它的電源子系統(tǒng)的設計。

　　例如，現在的消費者希望在給相機重新充電前能拍攝更多的相片。同時，對新功能和改進性能的期待也意味著電源子系統(tǒng)設計者必須將更優(yōu)質的芯片級功率效率和更智能化的電源管理技術結合在一起。

　　一些消費者受電子產品小型化的影響而去購買它們，DSC產品也不例外，現在可以看到大批信用卡大小的照相機在被使用。一臺更小的照相機通常意味著系統(tǒng)板空間的減少，并且設計者必須在電源子系統(tǒng)里提供適當的隔離。必須注意板間連接器上的電源引腳和接地引腳，以及引入系統(tǒng)中的電噪聲。而且，整個系統(tǒng)的功率效率必須更有效，這是因為電池的尺寸和電量都要收縮在一個更小的照相機中。

　　為了解決這些問題，半導體制造商不斷開發(fā)新的、創(chuàng)新性器件級電源和電池管理改進設計以及支持整個系統(tǒng)設計的新節(jié)能技術。

提供多樣化的電源設計

　　在DSC電源子系統(tǒng)設計中，主要挑戰(zhàn)之一是在照相機系統(tǒng)中提供不同的電源。每個系統(tǒng)的不同功能模塊都有各自的電源要求，包括電壓幅值(Voltage rail)、電流和排序。大部分DSC產品至少有如下幾個重要的功能模塊(圖1)：系統(tǒng)處理器和數字I/O，存儲子系統(tǒng)，電荷耦合器件(CCD)傳感器(作為照相機的成像器)，液晶顯示屏(LCD)和它的背光、編解碼器、模擬前端、機械電機(可以頻繁地移動一些部件，例如縮放鏡頭等)和一個支持視頻處理能力的功能模塊。

　　所有這些功能模塊都可以脫離可充電鋰離子(Li-ion)電池或鋰聚合物電池工作。在大多數情況下， DSC都使用鋰離子電池，充電時它們的工作電壓為5V，脫離充電器后電壓為4.2V，電池耗盡的時候為3V。但是，這種電池也使電源子系統(tǒng)的設計復雜化，因為給每個電氣負載提供的輸入電壓都是隨著時間變化的。

　　首先，設計者應該考慮把各種電源需求進行分組，并找出公共的部分，目的是加強和結合可合并供電的地方。但是電壓要求不是決定可合并供電的唯一因素。例如，一些CCD成像器和LCD顯示用電源，需要非常平穩(wěn)的低噪聲電源管理，而且?guī)缀醪淮嬖谒沧?。否則，采集到的圖像或照相機顯示屏上顯示的畫面可能會被扭曲或失效。其它功能塊，如媒體處理器，它的存儲器和數字I/O對電噪聲有很高的耐受力，可以組合在一起。

　　另一個需要考慮的是，某一項功能是否可以獨立地運行和關閉，以便保存照相機的能量。為了省電使用者可以關閉LCD顯示，而無源光學反光鏡仍然可以用來照相。無論系統(tǒng)工作在什么時候，其它功能都將是運行的，但是它們可以處于節(jié)省電源的待機模式下，以便減小功率消耗。

　　將不同的功能模塊分組后，歸結為幾個電壓級別，設計者可以為每個電壓設計一個布局。在這一點上，對于電源管理解決方案將如何提供每個電源電壓來說，許多重要的系統(tǒng)性能標準將成為最大的決定因素。

不同的電路要求

　　因為每一個DSC電源電壓都要經過檢測，設計者必須考慮輸入和輸出電壓、噪聲、功率效率、成本和空間需求。但是，效率、成本和空間需求之間經?；ハ鄾_突，輸入和輸出電壓也會限制設計者的選擇。例如，當輸入電壓高于輸出電壓的時候，設計者可以在低壓差(LDO)穩(wěn)壓器或高效DC/DC降壓變換器之間做選擇。如果主要標準是功率效率，那降壓變換器就在LDO之上，成為首選，這是因為當今最新型變換器的電源轉換效率可以達到97%。

　　但是，如果成本和板子空間需求比功率效率更重要，那么就要選擇LDO，而不是模塊變換器。另外，每個電源電壓的功率效率應該對照所有其它電源電壓的功率效率和整個系統(tǒng)的電源用法而做權衡。例如，為DSC處理器內核提供一個1.5V電源電壓，可以使用一個LDO或一個降壓變換器來實現。為了測定一個LDO的功率效率，輸入電壓簡單地分壓形成輸出電壓。因此，由系統(tǒng)鋰電池提供3.7V輸入電壓的LDO其輸出電壓為1.5V，只有接近40%的效率。具有90%效率的降壓變換器看起來是比較合適的選擇。然而，設計者在決定用由降壓轉換器引起的成本增加和板子空間增加來抵消潛在的功耗節(jié)省之前，需要仔細考慮加權處理器電源電壓的功率效率。

　　表1給出了一個典型DSC媒體處理器的電源電壓特性。加權效率顯示，處理器內核電壓的功率效率作為整個系統(tǒng)功率效率的一個百分比，當運行一個LDO的時候，僅給整個系統(tǒng)功率效率貢獻了4個百分點。但是當使用一個DC/DC變換器或開關時，處理器電壓給系統(tǒng)的整個功率效率貢獻了9個百分點。在整個功率效率中這5%的增長可使在LDO上配置開關器件。

　　DSC的多樣化運行模式只在某一段時間激活，這種情況使分析變得復雜。表1給出照相時處理器的供電特性。事實上，它只是照相機工作開始后很短時間內的情況。全部分析應該建立在不同系統(tǒng)運轉模式以及典型用戶使用模式上。

　　與處理器的1.5V電源電壓相比，提供給照相機LCD顯示的3.3V電壓對電噪聲和瞬變更敏感。建議使用一個線性電源電壓穩(wěn)壓器來支持。此外，還必須確保電池充電得到最有效的使用。當電池電壓達到3.3V，而且LDO的漏失電壓典型值是50mV~200mV時， LDO將不再進行調節(jié)。當3.3V電壓供電給最大負荷時，電池已經放電到僅有3.5V或者它的容量僅剩35%左右，相機顯示將關閉或者照相機停止工作。為了電池使用最佳化，LDO的漏失電壓應該盡可能小。對于同樣的輸出電流，電流級別高的LDO，漏失電壓低。

　　當輸入電壓高于輸出電壓的時候，考慮使用LDO和降壓變換器是比較合適的。當輸入電壓低于輸出電壓時，通常選用升壓變換器。根據電壓轉換比，升壓變換器的功率效率可以從89%到92%。在某些情況下，輸入電壓開始可能高于輸出電壓，到最后由于電池電量耗盡而低了下來。當這種情況發(fā)生的時候，需要兩個變換器，一個降壓變換器和一個升壓變換器。但是，一前一后的使用這兩個變換器，通常功率效率較差，只有80%到85%。因此，除非這種配置類型不可避免，否則不使用它。當輸入電壓可能高于也可能低于輸出電壓的時候，通常使用一個單端初級電感轉換器(SEPIC)，或者使用能夠維持正常調節(jié)的降壓-升壓拓撲結構。也可以使用新式升壓變換器IC，如TPS61020，從而維持正常的調節(jié)。

　　為DSC視頻放大器提供的電源電壓通常是5V左右，這也給電源系統(tǒng)設計師提出了另一個挑戰(zhàn)。類似LCD顯示電壓，視頻電源的輸出必須干凈并無瞬變現象。設計者可以考慮使用一個LDO，但視頻輸出電壓高于電池的電壓。因此，解決的辦法是在LDO前使用一個升壓變換器，從而有效的將電壓提升到5V。

進一步集成

　　越來越多的單個電源電壓需要在一個DSC上支持更多的功能，并且如今許多高性能的分立器件解決方案可供使用。但是市場的壓力不斷驅使DSC電源系統(tǒng)設計朝著硅集成的更高水平發(fā)展。消費者希望擁有更好的質量和性能，而照相機的價格要保持不變或更低些。

　　幸運地是，集成電源和電池管理的單芯片集成電路正用于下一代照相機的設計。這就允許合并DSC電源和其它功能，如電池充電，從而更有效的滿足消費者的期望。

　　德州儀器公司的TPS65010就是一個集成電源管理和電池管理的器件，它在一個單片硅上集成了兩個步進式降壓變換器、兩個LDO、一個線性鋰離子電池充電器和系統(tǒng)電源管理功能。高效率的步進降壓變換器用來支持處理器內核電壓和外設I/O電壓。這些輸出需要的唯一外部器件是一個電容器和一個電感器。器件的LDO可以使用在DSC噪聲敏感電源部分，例如服務于LCD顯示和其它模擬功能的電壓，例如模擬前端、定時產生器和編解碼器。集成電池充電器可以支持AC墻式適配器或通用串行總線(USB)端口。DSC處理器可以編程控制充電器的最大充電電流，并可通過一個I2C接口監(jiān)視電池的充電狀態(tài)。

　　在一個7mm