紧凑型数码相机电源所需的高集成度

数码相机正在迅速取代胶片相机。随着传统相机制造商和消费电子产品制造商迅速推出产品，市场正在扩大。数码相机的电源管理尤其困难，因为高速逻辑、灵敏的CCD成像和显示器必须同时高效供电。当然，电源空间、重量和热量也很重要。为了实现这些设计，需要先进的PMIC。

数码相机可能需要六个或更多不同的电压才能工作。其中包括系统逻辑电源、低压 DSP 内核、快门执行器和镜头电机、CCD 偏置、LCD 偏置和 LCD 背光。典型的紧凑型数码相机的框图如图1所示。用于数码相机的第一代电源IC是，在某些情况下仍然是多通道PWM控制器IC，它与外部MOSFET和变压器一起工作，以产生多个相机工作电压。这些设计的局限性是效率低、外部元件数量大、电路尺寸大。虽然控制器IC本身价格低廉，但总电路成本可能很高，特别是如果需要高性能MOSFET和变压器来保持效率，而不是浪费有限的电池容量。

图1.这个紧凑的数码相机框图显示了各种工作电压。

集成方面的进展

过去几年的IC工艺改进使电源开关与其他功能更加集成。这种集成与IC封装的进步相结合，正在提供新一代集成多功能电源IC。这些芯片提供数码相机所需的所有电压，同时显著延长电池寿命并大幅减少组件数量。特别重要的是，许多设计都消除了变压器。这不仅降低了成本，而且加快了设计时间，因为变压器通常不是由供应商库存的。变压器是需要特殊订购的定制元件，这是标准现成电感器不需要的。

除了消除变压器外，新型电源IC还提高了工作频率。这样可以减小元件尺寸，因为如果每秒可以发生更多的开关周期，则每个开关周期需要存储的能量更少。因此，电感和滤波电容器值降低，电感和电容器尺寸减小。较小电容值的另一个好处是，在500kHz及以上时，滤波器值变得足够小，可以容纳陶瓷电容。陶瓷电容器已被证明比极化类型更可靠，并且具有非常低的ESR，从而减少了纹波。

可选电源 IC 设计

紧凑型或袖珍型数码相机的典型电源如图2所示。多输出IC结合了六个DC-DC电源转换器。为数码相机等复杂系统开发大型IC的一个困难是，与PC不同，数码相机电源并不完全相同。电池、CCD 尺寸、显示屏和功能的差异都会在所需的电源电压和所需功率方面产生显著差异。由于不同相机之间存在这种差异，因此最佳的电源IC设计是内部和外部MOSFET转换器的混合。片内 MOSFET 用于功耗最高的电压，而外部 MOSFET PWM 通道则为剩余电压保留灵活性。

图2.这款用于小型数码相机的高度集成电源集成了六个DC-DC电源转换器。
对于更大的图像

图2所示设计使用高效率内部MOSFET通道作为相机的3.3V主逻辑电源、低压DSP内核和5V电机电源。这些电源工作时间最长，和/或使用最多的电池电量。因此，它们从内部 MOSFET 功率开关和同步整流提供的高效率中获益最多。这些电源的功率转换效率接近95%。CCD 图像传感器、LCD 显示屏和 LED 背光的附加电压因设计而异。因此，它们是外部FET通道的良好候选者，可以针对不同的CCD像素数和LCD屏幕尺寸进行优化。

对于CCD偏置，设计通常使用变压器产生正（通常为+15V）和负（-7.5V）输出。但是，变压器很大，如果施加高度限制，会造成特别的困难。在空间有限的设计中，如紧凑型相机，首选使用基于电感的逆变器和升压转换器。当像素数上升到3MP及以上时尤其如此，这会增加所需的电流。变压器效率和尺寸限制变得更加重要。设计示例通过外部FET升压通道（AUX1）为LCD和CCD偏置产生+15V电压，在外部FET反相通道（AUX2）下为负CCD偏置产生-7.5V电压。

与高端型号相比，紧凑型数码相机往往节省功能。尽管如此，较小的袖珍相机开始包含更大的相机功能，例如光学变焦，自动对焦和更高的像素分辨率。所有这些功能，特别是需要电机的机械功能，如自动对焦，通常使用5V电源，并消耗几百毫安或更高的高峰值负载。尽管该电源的平均负载可能只有其峰值的十分之一，但瞬时峰值不够短，无法使用低电流电源和大电容器。电容尺寸很快就会变得令人望而却步，因此升压转换器的额定峰值电机负载电流通常高达1A。需要高功率片内MOSFET来有效地为该负载供电（高达95%）。

降压/升压问题

两种电池配置已成为小型数码相机最受欢迎的配置。这些是 2 节 AA（碱性或镍氢）和 1 节 Li+ 电池。有时，相机可能设计为同时使用两种电池配置。这对电源设计人员来说尤其具有挑战性，因为在某些情况下，必须对电池进行升压以产生某些工作电压（例如3.3V）。在其他情况下，必须将其降压以产生相同的电压。这需要升压/降压（或降压/升压）设计。在较旧的相机设计中，这是通过反激式（基于变压器）的设计完成的，这些设计很大、笨拙且效率相当低下——通常效率不超过 70%。

具有多个输出的集成设计使得创建降压/升压转换器变得容易，因为升压电源可用于为降压电源供电。这种方法不常用于解决降压/升压问题，因为它需要单独的降压和升压级具有出色的效率，以提供足够的组合效率。但现在电流模式升压和降压转换器可以达到95%，组合效率达到90%，远远优于反激式和SEPIC设计。

何时以及如何组合级以实现降压-升压操作取决于电池类型。由两节AA电池组成的电池工作电压约为1.8V至3.6V，而Li+电池的工作电压范围为2.7V至4.2V。Li+供电设计可能需要降压/升压转换器来产生3.3V电压。使用两节AA电池的设计可能还需要一个降压/升压转换器，因为当电池负载严重时，DSP内核（通常为1.5V或1.8V）电源可能没有足够的裕量从电池供电。在这两种情况下，都可以通过级联DC-DC转换器级来制造高效的降压/升压转换器。通过首先升压至5V （V苏5V，图 2），然后降压至 3.3V（VM 3.3V，图 2）。通过从5V为降压输入（PVSD）供电，可以采用相同的方式提供1.8V电源。当然，当使用Li+电池时，内核降压电源可以直接由电池供电（如图2所示）。

紧凑型数码相机的电池可能更小。当然，当使用较小的电池时，需要高效率。此外，较小的电池无法提供与较大电池相同的负载峰值。系统电源管理必须经常关闭未使用的电源以延长电池寿命。当电源重新打开时，它们不得吸收大电流，从而降低电池电压。图2中的集成电源以受控速率斜坡上升每个输入，使每个输出在激活时将输入电流浪涌降至最低。这也确保了输出以可预测的方式上升，以便进行排序。

可靠性和安全性增强

除了提供必要的电压外，还有一个 IC、集成电源电路为电压和故障监控提供了优势，这通常需要大量外部元件。这对可靠性和安全性都有好处。在图2中，三个输出给出了三个最关键电压的状态。/SDOK提供为DSP内核供电的电源状态。在某些设计中，在DSP内核电源处于稳压状态之前，无法激活DSP芯片的3.3V电源。/SDOK可以向处理器发出信号，或直接驱动一个P沟道MOSFET，该MOSFET负责控制3.3V电源。/AUX1OK 可以对其中一个 PWM 控制器执行相同的功能，并为 CCD 或 LCD 偏置提供 OK 标志。

像紧凑型数码相机这样的便携式设备可能会受到恶劣条件的影响。它可能会掉落、弄湿或暴露在极端温度下。电源设计无法防止恶劣条件造成的损坏，但它可以通过在出现不利条件时关闭来最大限度地减少损坏并提高安全性。另一方面，设计不能太敏感，否则可能会在正常负载瞬变期间关闭。高集成度通过监控所有电源通道支持高安全级别。如果任何通道过载或短路超过 200 毫秒，则所有电源都将关闭。200ms的延迟足够长，允许负载瞬变发生而不会发生误触发。故障标志 （SCF） 可以告知系统发生了故障。此外，片内 MOSFET 还受到热关断保护。

结论

显然，数码相机等小型设备的高性能电源管理最好通过高集成度来实现。除了只需要一个IC的明显优势外，优势还包括无源元件减少、效率显著提高、降压/升压拓扑结构的简单实现以及可靠性的提高。

审核编辑：郭婷