數(shù)碼相機設(shè)計中的集成電源器件

2004年7月B版

　　當數(shù)碼相機(DSC)的設(shè)計者開發(fā)新型電源子系統(tǒng)時，會面臨一些重復出現(xiàn)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(shè)計者現(xiàn)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(yīng)商使用更先進的制造技術(shù)，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(chǎn)品，DSC的市場增長相當迅速。一些產(chǎn)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(chǎn)品的廣泛開發(fā)，已從市場分析和產(chǎn)品定義階段發(fā)展到實際設(shè)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(guān)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(chǎn)品開發(fā)帶來了巨大的沖擊，尤其是對電源子系統(tǒng)的設(shè)計沖擊更大。在市場的一端，使用后即可丟棄、單一用途的數(shù)碼相機已經(jīng)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(zhì)的設(shè)備也已得到廣泛普及。為了滿足不同產(chǎn)品的需要，針對這些產(chǎn)品的電源設(shè)計要求和部件等級在尺寸和應(yīng)用范圍上非常多樣化。

　　設(shè)計者經(jīng)常面對一些基本問題：什么是數(shù)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(shè)備；而另一些消費者則希望有長時間、高品質(zhì)的視頻設(shè)備，因此DSC產(chǎn)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(shè)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(shè)計。

　　例如，現(xiàn)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(shè)計者必須將更優(yōu)質(zhì)的芯片級功率效率和更智能化的電源管理技術(shù)結(jié)合在一起。

　　一些消費者受電子產(chǎn)品小型化的影響而去購買它們，DSC產(chǎn)品也不例外，現(xiàn)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(shè)計者必須在電源子系統(tǒng)里提供適當?shù)母綦x。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(shè)計以及支持整個系統(tǒng)設(shè)計的新節(jié)能技術(shù)。

提供多樣化的電源設(shè)計

　　在DSC電源子系統(tǒng)設(shè)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(chǎn)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(shù)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(shù)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(shè)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(shè)計者應(yīng)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(jié)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(shù)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(guān)閉，以便保存照相機的能量。為了省電使用者可以關(guān)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(jié)為幾個電壓級別，設(shè)計者可以為每個電壓設(shè)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(jīng)過檢測，設(shè)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(jīng)常互相沖突，輸入和輸出電壓也會限制設(shè)計者的選擇。例如，當輸入電壓高于輸出電壓的時候，設(shè)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(zhuǎn)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(yīng)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(quán)衡。例如，為DSC處理器內(nèi)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(xiàn)。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(shè)計者在決定用由降壓轉(zhuǎn)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(quán)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(quán)效率顯示，處理器內(nèi)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(guān)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(guān)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(nèi)的情況。全部分析應(yīng)該建立在不同系統(tǒng)運轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)。當3.3V電壓供電給最大負荷時，電池已經(jīng)放電到僅有3.5V或者它的容量僅剩35%左右，相機顯示將關(guān)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(yīng)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(jù)電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器(SEPIC)，或者使用能夠維持正常調(diào)節(jié)的降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)。也可以使用新式升壓變換器IC，如TPS61020，從而維持正常的調(diào)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(shè)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(xiàn)象。設(shè)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(qū)使DSC電源系統(tǒng)設(shè)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(zhì)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(shè)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(nèi)核電壓和外設(shè)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(wù)于LCD顯示和其它模擬功能的電壓，例如模擬前端、定時產(chǎn)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