数码相机设计中的集成电源器件

当数码相机(DSC)的设计者开发新型电源子系统时，会面临一些重复出现的问题。除了性能、成本、功率消耗和尺寸等要进行明显的折衷外，DSC设计者现在还要面临市场的问题。这些压力一起促使半导体器件供应商使用更先进的制造技术，创造新的集成电源解决方案，解决所有这些问题。作为一个比较新的产品，DSC的市场增长相当迅速。一些产业分析员预测它每年会有30%以上的增长。这样的增长水平正推动新产品的广泛开发，已从市场分析和产品定义阶段发展到实际设计阶段。对于消费类电子制造商而言，投放市场的时间是一个关键因素，与其它因素相比，它对DSC市场影响会更大。扩大DSC市场和加快上市时间这两个压力对新产品开发带来了巨大的冲击，尤其是对电源子系统的设计冲击更大。在市场的一端，使用后即可丢弃、单一用途的数码相机已经达到平衡。在另一端，替代单镜头反射照相机、具有专业品质的设备也已得到广泛普及。为了满足不同产品的需要，针对这些产品的电源设计要求和部件等级在尺寸和应用范围上非常多样化。设计者经常面对一些基本问题：什么是数码相机？消费者希望DSC提供什么功能？例如，一些消费者满足于低分辨率，短视频采集能力的设备；而另一些消费者则希望有长时间、高品质的视频设备，因此DSC产品和视频可携式摄像机之间的界限可能很快就会模糊不清。同样，在竞争非常激烈的DSC市场中，为了能超过对手处于显著位置，则要推出新功能，这意味着对电源系统设计者也同样不断提出新的挑战。消费者的期望当然，消费者的需求推动市场。DSC消费者知道自己想要什么样的照相机，包括：性能、价格、尺寸、形状和较长电池寿命等因素。这些期望将会影响照相机和它的电源子系统的设计。例如，现在的消费者希望在给相机重新充电前能拍摄更多的相片。同时，对新功能和改进性能的期待也意味着电源子系统设计者必须将更优质的芯片级功率效率和更智能化的电源管理技术结合在一起。一些消费者受电子产品小型化的影响而去购买它们，DSC产品也不例外，现在可以看到大批信用卡大小的照相机在被使用。一台更小的照相机通常意味着系统板空间的减少，并且设计者必须在电源子系统里提供适当的隔离。必须注意板间连接器上的电源引脚和接地引脚，以及引入系统中的电噪声。而且，整个系统的功率效率必须更有效，这是因为电池的尺寸和电量都要收缩在一个更小的照相机中。为了解决这些问题，半导体制造商不断开发新的、创新性器件级电源和电池管理改进设计以及支持整个系统设计的新节能技术。图1 DSC功能模块框图 图2 版面设计对比 提供多样化的电源设计在DSC电源子系统设计中，主要挑战之一是在照相机系统中提供不同的电源。每个系统的不同功能模块都有各自的电源要求，包括电压幅值(Voltage rail)、电流和排序。大部分DSC产品至少有如下几个重要的功能模块(图1)：系统处理器和数字I/O，存储子系统，电荷耦合器件(CCD)传感器(作为照相机的成像器)，液晶显示屏(LCD)和它的背光、编解码器、模拟前端、机械电机(可以频繁地移动一些部件，例如缩放镜头等)和一个支持视频处理能力的功能模块。所有这些功能模块都可以脱离可充电锂离子(Li-ion)电池或锂聚合物电池工作。在大多数情况下， DSC都使用锂离子电池，充电时它们的工作电压为5V，脱离充电器后电压为4.2V，电池耗尽的时候为3V。但是，这种电池也使电源子系统的设计复杂化，因为给每个电气负载提供的输入电压都是随着时间变化的。首先，设计者应该考虑把各种电源需求进行分组，并找出公共的部分，目的是加强和结合可合并供电的地方。但是电压要求不是决定可合并供电的唯一因素。例如，一些CCD成像器和LCD显示用电源，需要非常平稳的低噪声电源管理，而且几乎不存在瞬变。否则，采集到的图像或照相机显示屏上显示的画面可能会被扭曲或失效。其它功能块，如媒体处理器，它的存储器和数字I/O对电噪声有很高的耐受力，可以组合在一起。另一个需要考虑的是，某一项功能是否可以独立地运行和关闭，以便保存照相机的能量。为了省电使用者可以关闭LCD显示，而无源光学反光镜仍然可以用来照相。无论系统工作在什么时候，其它功能都将是运行的，但是它们可以处于节省电源的待机模式下，以便减小功率消耗。将不同的功能模块分组后，归结为几个电压级别，设计者可以为每个电压设计一个布局。在这一点上，对于电源管理解决方案将如何提供每个电源电压来说，许多重要的系统性能标准将成为最大的决定因素。 不同的电路要求因为每一个DSC电源电压都要经过检测，设计者必须考虑输入和输出电压、噪声、功率效率、成本和空间需求。但是，效率、成本和空间需求之间经常互相冲突，输入和输出电压也会限制设计者的选择。例如，当输入电压高于输出电压的时候，设计者可以在低压差(LDO)稳压器或高效DC/DC降压变换器之间做选择。如果主要标准是功率效率，那降压变换器就在LDO之上，成为首选，这是因为当今最新型变换器的电源转换效率可以达到97%。但是，如果成本和板子空间需求比功率效率更重要，那么就要选择LDO，而不是模块变换器。另外，每个电源电压的功率效率应该对照所有其它电源电压的功率效率和整个系统的电源用法而做权衡。例如，为DSC处理器内核提供一个1.5V电源电压，可以使用一个LDO或一个降压变换器来实现。为了测定一个LDO的功率效率，输入电压简单地分压形成输出电压。因此，由系统锂电池提供3.7V输入电压的LDO其输出电压为1.5V，只有接近40%的效率。具有90%效率的降压变换器看起来是比较合适的选择。然而，设计者在决定用由降压转换器引起的成本增加和板子空间增加来抵消潜在的功耗节省之前，需要仔细考虑加权处理器电源电压的功率效率。表1给出了一个典型DSC媒体处理器的电源电压特性。加权效率显示，处理器内核电压的功率效率作为整个系统功率效率的一个百分比，当运行一个LDO的时候，仅给整个系统功率效率贡献了4个百分点。但是当使用一个DC/DC变换器或开关时，处理器电压给系统的整个功率效率贡献了9个百分点。在整个功率效率中这5%的增长可使在LDO上配置开关器件。DSC的多样化运行模式只在某一段时间激活，这种情况使分析变得复杂。表1给出照相时处理器的供电特性。事实上，它只是照相机工作开始后很短时间内的情况。全部分析应该建立在不同系统运转模式以及典型用户使用模式上。与处理器的1.5V电源电压相比，提供给照相机LCD显示的3.3V电压对电噪声和瞬变更敏感。建议使用一个线性电源电压稳压器来支持。此外，还必须确保电池充电得到最有效的使用。当电池电压达到3.3V，而且LDO的漏失电压典型值是50mV~200mV时， LDO将不再进行调节。当3.3V电压供电给最大负荷时，电池已经放电到仅有3.5V或者它的容量仅剩35%左右，相机显示将关闭或者照相机停止工作。为了电池使用最佳化，LDO的漏失电压应该尽可能小。对于同样的输出电流，电流级别高的LDO，漏失电压低。当输入电压高于输出电压的时候，考虑使用LDO和降压变换器是比较合适的。当输入电压低于输出电压时，通常选用升压变换器。根据电压转换比，升压变换器的功率效率可以从89%到92%。在某些情况下，输入电压开始可能高于输出电压，到最后由于电池电量耗尽而低了下来。当这种情况发生的时候，需要两个变换器，一个降压变换器和一个升压变换器。但是，一前一后的使用这两个变换器，通常功率效率较差，只有80%到85%。因此，除非这种配置类型不可避免，否则不使用它。当输入电压可能高于也可能低于输出电压的时候，通常使用一个单端初级电感转换器(SEPIC)，或者使用能够维持正常调节的降压-升压拓扑结构。也可以使用新式升压变换器IC，如TPS61020，从而维持正常的调节。为DSC视频放大器提供的电源电压通常是5V左右，这也给电源系统设计师提出了另一个挑战。类似LCD显示电压，视频电源的输出必须干净并无瞬变现象。设计者可以考虑使用一个LDO，但视频输出电压高于电池的电压。因此，解决的办法是在LDO前使用一个升压变换器，从而有效的将电压提升到5V。 进一步集成越来越多的单个电源电压需要在一个DSC上支持更多的功能，并且如今许多高性能的分立器件解决方案可供使用。但是市场的压力不断驱使DSC电源系统设计朝着硅集成的更高水平发展。消费者希望拥有更好的质量和性能，而照相机的价格要保持不变或更低些。幸运地是，集成电源和电池管理的单芯片集成电路正用于下一代照相机的设计。这就允许合并DSC电源和其它功能，如电池充电，从而更有效的满足消费者的期望。德州仪器公司的TPS65010就是一个集成电源管理和电池管理的器件，它在一个单片硅上集成了两个步进式降压变换器、两个LDO、一个线性锂离子电池充电器和系统电源管理功能。高效率的步进降压变换器用来支持处理器内核电压和外设I/O电压。这些输出需要的唯一外部器件是一个电容器和一个电感器。器件的LDO可以使用在DSC噪声敏感电源部分，例如服务于LCD显示和其它模拟功能的电压，例如模拟前端、定时产生器和编解码器。集成电池充电器可以支持AC墙式适配器或通用串行总线(USB)端口。DSC处理器可以编程控制充电器的最大充电电流，并可通过一个I2C接口监视电池的充电状态。在一个7mm

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