數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)中的集成電源器件

當(dāng)數(shù)碼相機(jī)(DSC)的設(shè)計(jì)者開(kāi)發(fā)新型電源子系統(tǒng)時(shí)，會(huì)面臨一些重復(fù)出現(xiàn)的問(wèn)題。除了性能、成本、功率消耗和尺寸等要進(jìn)行明顯的折衷外，DSC設(shè)計(jì)者現(xiàn)在還要面臨市場(chǎng)的問(wèn)題。這些壓力一起促使半導(dǎo)體器件供應(yīng)商使用更先進(jìn)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(wèn)題。

作為一個(gè)比較新的產(chǎn)品，DSC的市場(chǎng)增長(zhǎng)相當(dāng)迅速。一些產(chǎn)業(yè)分析員預(yù)測(cè)它每年會(huì)有30%以上的增長(zhǎng)。這樣的增長(zhǎng)水平正推動(dòng)新產(chǎn)品的廣泛開(kāi)發(fā)，已從市場(chǎng)分析和產(chǎn)品定義階段發(fā)展到實(shí)際設(shè)計(jì)階段。對(duì)于消費(fèi)類(lèi)電子制造商而言，投放市場(chǎng)的時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵因素，與其它因素相比，它對(duì)DSC市場(chǎng)影響會(huì)更大。

擴(kuò)大DSC市場(chǎng)和加快上市時(shí)間這兩個(gè)壓力對(duì)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)帶來(lái)了巨大的沖擊，尤其是對(duì)電源子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沖擊更大。在市場(chǎng)的一端，使用后即可丟棄、單一用途的數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)達(dá)到平衡。在另一端，替代單鏡頭反射照相機(jī)、具有專(zhuān)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(duì)這些產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)要求和部件等級(jí)在尺寸和應(yīng)用范圍上非常多樣化。

設(shè)計(jì)者經(jīng)常面對(duì)一些基本問(wèn)題：什么是數(shù)碼相機(jī)？消費(fèi)者希望DSC提供什么功能？例如，一些消費(fèi)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(fèi)者則希望有長(zhǎng)時(shí)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(jī)之間的界限可能很快就會(huì)模糊不清。同樣，在競(jìng)爭(zhēng)非常激烈的DSC市場(chǎng)中，為了能超過(guò)對(duì)手處于顯著位置，則要推出新功能，這意味著對(duì)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)者也同樣不斷提出新的挑戰(zhàn)。

消費(fèi)者的期望

當(dāng)然，消費(fèi)者的需求推動(dòng)市場(chǎng)。DSC消費(fèi)者知道自己想要什么樣的照相機(jī)，包括：性能、價(jià)格、尺寸、形狀和較長(zhǎng)電池壽命等因素。這些期望將會(huì)影響照相機(jī)和它的電源子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

例如，現(xiàn)在的消費(fèi)者希望在給相機(jī)重新充電前能拍攝更多的相片。同時(shí)，對(duì)新功能和改進(jìn)性能的期待也意味著電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須將更優(yōu)質(zhì)的芯片級(jí)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(fèi)者受電子產(chǎn)品小型化的影響而去購(gòu)買(mǎi)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(jī)在被使用。一臺(tái)更小的照相機(jī)通常意味著系統(tǒng)板空間的減少，并且設(shè)計(jì)者必須在電源子系統(tǒng)里提供適當(dāng)?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(gè)系統(tǒng)的功率效率必須更有效，這是因?yàn)殡姵氐某叽绾碗娏慷家湛s在一個(gè)更小的照相機(jī)中。

為了解決這些問(wèn)題，半導(dǎo)體制造商不斷開(kāi)發(fā)新的、創(chuàng)新性器件級(jí)電源和電池管理改進(jìn)設(shè)計(jì)以及支持整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新節(jié)能技術(shù)。

提供多樣化的電源設(shè)計(jì)

在DSC電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要挑戰(zhàn)之一是在照相機(jī)系統(tǒng)中提供不同的電源。每個(gè)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(gè)重要的功能模塊(圖1)：系統(tǒng)處理器和數(shù)字I/O，存儲(chǔ)子系統(tǒng)，電荷耦合器件(CCD)傳感器(作為照相機(jī)的成像器)，液晶顯示屏(LCD)和它的背光、編解碼器、模擬前端、機(jī)械電機(jī)(可以頻繁地移動(dòng)一些部件，例如縮放鏡頭等)和一個(gè)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(shí)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(shí)候?yàn)?/SPAN>3V。但是，這種電池也使電源子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化，因?yàn)榻o每個(gè)電氣負(fù)載提供的輸入電壓都是隨著時(shí)間變化的。

首先，設(shè)計(jì)者應(yīng)該考慮把各種電源需求進(jìn)行分組，并找出公共的部分，目的是加強(qiáng)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(jī)顯示屏上顯示的畫(huà)面可能會(huì)被扭曲或失效。其它功能塊，如媒體處理器，它的存儲(chǔ)器和數(shù)字I/O對(duì)電噪聲有很高的耐受力，可以組合在一起。

另一個(gè)需要考慮的是，某一項(xiàng)功能是否可以獨(dú)立地運(yùn)行和關(guān)閉，以便保存照相機(jī)的能量。為了省電使用者可以關(guān)閉LCD顯示，而無(wú)源光學(xué)反光鏡仍然可以用來(lái)照相。無(wú)論系統(tǒng)工作在什么時(shí)候，其它功能都將是運(yùn)行的，但是它們可以處于節(jié)省電源的待機(jī)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(gè)電壓級(jí)別，設(shè)計(jì)者可以為每個(gè)電壓設(shè)計(jì)一個(gè)布局。在這一點(diǎn)上，對(duì)于電源管理解決方案將如何提供每個(gè)電源電壓來(lái)說(shuō)，許多重要的系統(tǒng)性能標(biāo)準(zhǔn)將成為最大的決定因素。

不同的電路要求

因?yàn)槊恳粋€(gè)DSC電源電壓都要經(jīng)過(guò)檢測(cè)，設(shè)計(jì)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(huì)限制設(shè)計(jì)者的選擇。例如，當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓的時(shí)候，設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)是功率效率，那降壓變換器就在LDO之上，成為首選，這是因?yàn)楫?dāng)今最新型變換器的電源轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)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(gè)電源電壓的功率效率應(yīng)該對(duì)照所有其它電源電壓的功率效率和整個(gè)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(gè)1.5V電源電壓，可以使用一個(gè)LDO或一個(gè)降壓變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了測(cè)定一個(gè)LDO的功率效率，輸入電壓簡(jiǎn)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(lái)是比較合適的選擇。然而，設(shè)計(jì)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(lái)抵消潛在的功耗節(jié)省之前，需要仔細(xì)考慮加權(quán)處理器電源電壓的功率效率。

表1給出了一個(gè)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(gè)系統(tǒng)功率效率的一個(gè)百分比，當(dāng)運(yùn)行一個(gè)LDO的時(shí)候，僅給整個(gè)系統(tǒng)功率效率貢獻(xiàn)了4個(gè)百分點(diǎn)。但是當(dāng)使用一個(gè)DC/DC變換器或開(kāi)關(guān)時(shí)，處理器電壓給系統(tǒng)的整個(gè)功率效率貢獻(xiàn)了9個(gè)百分點(diǎn)。在整個(gè)功率效率中這5%的增長(zhǎng)可使在LDO上配置開(kāi)關(guān)器件。

DSC的多樣化運(yùn)行模式只在某一段時(shí)間激活，這種情況使分析變得復(fù)雜。表1給出照相時(shí)處理器的供電特性。事實(shí)上，它只是照相機(jī)工作開(kāi)始后很短時(shí)間內(nèi)的情況。全部分析應(yīng)該建立在不同系統(tǒng)運(yùn)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(jī)LCD顯示的3.3V電壓對(duì)電噪聲和瞬變更敏感。建議使用一個(gè)線性電源電壓穩(wěn)壓器來(lái)支持。此外，還必須確保電池充電得到最有效的使用。當(dāng)電池電壓達(dá)到3.3V，而且LDO的漏失電壓典型值是50mV~200mV時(shí)， LDO將不再進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)3.3V電壓供電給最大負(fù)荷時(shí)，電池已經(jīng)放電到僅有3.5V或者它的容量?jī)H剩35%左右，相機(jī)顯示將關(guān)閉或者照相機(jī)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(duì)于同樣的輸出電流，電流級(jí)別高的LDO，漏失電壓低。

當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓的時(shí)候，考慮使用LDO和降壓變換器是比較合適的。當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓時(shí)，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(kāi)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(lái)。當(dāng)這種情況發(fā)生的時(shí)候，需要兩個(gè)變換器，一個(gè)降壓變換器和一個(gè)升壓變換器。但是，一前一后的使用這兩個(gè)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(lèi)型不可避免，否則不使用它。當(dāng)輸入電壓可能高于也可能低于輸出電壓的時(shí)候，通常使用一個(gè)單端初級(jí)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?fù)浣Y(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(jì)師提出了另一個(gè)挑戰(zhàn)。類(lèi)似LCD顯示電壓，視頻電源的輸出必須干凈并無(wú)瞬變現(xiàn)象。設(shè)計(jì)者可以考慮使用一個(gè)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(gè)升壓變換器，從而有效的將電壓提升到5V。

進(jìn)一步集成

越來(lái)越多的單個(gè)電源電壓需要在一個(gè)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(chǎng)的壓力不斷驅(qū)使DSC電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)朝著硅集成的更高水平發(fā)展。消費(fèi)者希望擁有更好的質(zhì)量和性能，而照相機(jī)的價(jià)格要保持不變或更低些。

幸運(yùn)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(jī)的設(shè)計(jì)。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(fèi)者的期望。

德州儀器公司的TPS65010就是一個(gè)集成電源管理和電池管理的器件，它在一個(gè)單片硅上集成了兩個(gè)步進(jìn)式降壓變換器、兩個(gè)LDO、一個(gè)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(jìn)降壓變換器用來(lái)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(gè)電容器和一個(gè)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(shí)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(guò)一個(gè)I2C接口監(jiān)視電池的充電狀態(tài)。

在一個(gè)7mm×7mm的集成電源管理器件里，將電源電壓和相機(jī)電池充電功能合并，可以明顯節(jié)省電路板大小。圖2比較了使用分立器件設(shè)計(jì)的板子和利用集成電源管理器件設(shè)計(jì)的板子布局圖。單從節(jié)省板子大小上看，一個(gè)集成電源器件大約只需要原來(lái)60%的空間。

但是集成電源管理器件也會(huì)影響電路中其它因素。通過(guò)減少芯片個(gè)數(shù)，降低成本。另外，集成電源管理器件簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，使設(shè)計(jì)時(shí)間從數(shù)月減少到幾天。一旦設(shè)計(jì)者確認(rèn)集成電源器件符合系統(tǒng)需求后，所需要的就是選擇電容器和感應(yīng)器。電源管理設(shè)計(jì)集成化更快速地推動(dòng)新產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。

發(fā)展速度不會(huì)放緩

自從第一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)推出，新產(chǎn)品推出的速度之快給人深刻的印象。DSC電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面臨的壓力是提供多樣化的性能和功率效率水平，縮減成本，節(jié)省空間，并縮短設(shè)計(jì)周期，未來(lái)會(huì)有更多挑戰(zhàn)。DSC消費(fèi)者期望和需要新特性和功能更強(qiáng)的產(chǎn)品，例如更高品質(zhì)和更長(zhǎng)播放時(shí)間的視頻產(chǎn)品。另外，預(yù)計(jì)DSC將很快包括無(wú)線局域網(wǎng)連接能力。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)特性將允許照片從DSC通過(guò)802.11 (Wi-Fi)無(wú)線下載到家庭計(jì)算機(jī)或一個(gè)打印制作服務(wù)中心中。

新特性和功能只會(huì)加速對(duì)DSC集成電源和電池管理技術(shù)的需要。幸運(yùn)地是，對(duì)于電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)者，越來(lái)越多的集成電源器件被開(kāi)發(fā)出來(lái)，而且一些產(chǎn)品就是專(zhuān)為數(shù)碼相機(jī)所設(shè)計(jì)。