數(shù)碼相機(jī)電源電路設(shè)計(jì)及DC/DC變換器選擇

　　數(shù)碼相機(jī)電源電路包括了I/F電源、鏡頭驅(qū)動(dòng)馬達(dá)用電源、LCD電源、背光電源等，如何優(yōu)化這些電源設(shè)計(jì)關(guān)系到整機(jī)的低功耗、小尺寸和輕重量等關(guān)鍵特性。本文分別以實(shí)用的電路為例提供了設(shè)計(jì)方法和思路，并提供了PWM控制、PFM控制和PWM/PFM切換控制模式的比較以及外圍組件選擇等設(shè)計(jì)決策。

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　　隨著數(shù)碼相機(jī)近年來(lái)逐漸成為主流消費(fèi)電子產(chǎn)品后，消費(fèi)者對(duì)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(chǔ)器、小體積和輕重量等。在這種情況下，延長(zhǎng)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(duì)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(shuō)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(gè)復(fù)合IC來(lái)完成不同輸出，以及由幾個(gè)DC/DC變換器組合來(lái)完成不同輸出。圖1的例子中采用了幾個(gè)DC/DC變換器組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中CCD電源是通過(guò)使用變壓器來(lái)產(chǎn)生 15V和-5.5V電壓。這個(gè)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(guò)外接晶體管進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，輸出電壓可以通過(guò)改變變壓器匝數(shù)來(lái)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(huì)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(guò)PFM方式工作來(lái)提高效率。

2. 鏡頭驅(qū)動(dòng)馬達(dá)用電源

　　鏡頭驅(qū)動(dòng)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(huì)使用PWM控制模式及外接FET DC/DC(S-8357P50)。這個(gè)電路的特點(diǎn)是使用了單個(gè)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(gè)復(fù)合IC來(lái)得到不同輸出電壓的話，接線會(huì)受到限制，無(wú)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(gè)DC/DC變換器可以達(dá)到小型化目的。

3. LCD驅(qū)動(dòng)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(gè)升壓DC/DC變換器來(lái)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(guò)使用電阻對(duì)輸出電壓進(jìn)行分壓，這樣可以調(diào)整輸出電壓。通過(guò)R1和R2正電壓可以達(dá)到很高，負(fù)電壓可以通過(guò)C1、SD3、SD2使正電壓反轉(zhuǎn)為負(fù)電壓。

在這個(gè)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(huì)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(guò)晶體管等做成穩(wěn)壓電路來(lái)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(guò)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(guò)LED電流大小的是R1電阻。即使各個(gè)LED的Vf有所偏差，A點(diǎn)的電壓也會(huì)被控制在1.5V。因此，如果20mA的電流流過(guò)LED，電阻值則為：1.5V÷20mA=75Ω。此電路的特點(diǎn)為：因?yàn)榱鬟^(guò)LED的是穩(wěn)定的電流，所以即使LED的vf有所偏差，各個(gè)LED的亮度也會(huì)是相同的。而且，由于采用了通用DC/DC變換器，可以很簡(jiǎn)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(lèi)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(guò)與內(nèi)部頻率同步開(kāi)關(guān)進(jìn)行升壓或降壓，通過(guò)變化開(kāi)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(huì)停止開(kāi)關(guān)，在下降到設(shè)定電壓前，DC/DC變換器不會(huì)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(huì)再次開(kāi)始開(kāi)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(kāi)關(guān)，但是它會(huì)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(huì)停止動(dòng)作，所以消耗的電流就會(huì)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(kāi)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(jiǎn)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(dòng)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(guò)實(shí)際測(cè)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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)次數(shù)隨之增加的原因，開(kāi)關(guān)損失也會(huì)增大，從而導(dǎo)致效率會(huì)有所降低。因此，效率是由線圈性能提升與開(kāi)關(guān)損失增加兩方面折衷決定的。

　　通過(guò)使用高效率的產(chǎn)品，相對(duì)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(duì)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(guò)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(shuō)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(duì)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(guò)IC額定耐壓值時(shí)，VDD接在輸出電壓端。VOUT是經(jīng)過(guò)Ra、Rb分壓后的電壓，通過(guò)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(duì)于開(kāi)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(huì)超過(guò)線圈的額定電流，線圈會(huì)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(huì)引起紋波電壓變大。所以在選擇線圈時(shí)，請(qǐng)注意流向線圈的電流不要超過(guò)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(qǐng)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(kāi)關(guān)速度比較快，所以開(kāi)關(guān)損耗會(huì)較小，效率會(huì)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(zhǎng)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(méi)有提及的，在DC/DC設(shè)計(jì)過(guò)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(píng)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(cè)試前可以做出評(píng)估，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

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