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标题: 数码相机电源电路设计及DC/DC变换器选择 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 14:51
标题: 数码相机电源电路设计及DC/DC变换器选择
<div align="left">　　数码相机电源电路包括了I/F电源、镜头驱动马达用电源、LCD电源、背光电源等，如何优化这些电源设计关系到整机的低功耗、小尺寸和轻重量等关键特性。本文分别以实用的电路为例提供了设计方法和思路，并提供了PWM控制、PFM控制和PWM/PFM切换控制模式的比较以及外围组件选择等设计决策。
　　随着数码相机近年来逐渐成为主流消费电子产品后，消费者对数码相机功能的要求亦不断提升，例如高像素、短片拍摄功能、大LCD显示屏、大容量存储器、小体积和轻重量等。在这种情况下，延长电池使用及备用时间成为了数码相机设计工程师面临的重要挑战。本文将针对电源管理，尤其在DC/DC变换器上进行探讨及分析，并以实例说明。
主要电源模块

　　现在，使用在数码相机上的系统电源可以分为一个复合IC来完成不同输出，以及由几个DC/DC变换器组合来完成不同输出。图1的例子中采用了几个DC/DC变换器组合来实现，其中CCD电源是通过使用变压器来产生 15V和-5.5V电压。这个电路中使用了VDD/VOUT分离型升压DC/DC变换器(S-8357P50), 以PWM模式并通过外接晶体管进行开关控制，输出电压可以通过改变变压器匝数来产生需要的电压。
1. I/F电源
　　I/F电源使用了PWM/PFM切换模式的升压DC/DC变换器(S-8358P33)，常用输出电压为3.3V。因为是外接FET，所以可以适用于500mA以上的大电流。另外，在使用如600kHz的高频DC/DC产品时可以使用小型电感。CPU内核电源常用输出电压是1.8V，所以会采用降压DC/DC变换器(如S-8521E18)，使用PWM/PFM切换较理想，即使是消耗电流很低的情况下也可以通过PFM方式工作来提高效率。
2. 镜头驱动马达用电源
　　镜头驱动马达用的电源通常使用5V电压，由于工作电流较大，所以会使用PWM控制模式及外接FET DC/DC(S-8357P50)。这个电路的特点是使用了单个DC/DC变换器，接线比较灵活，可以在基板上选取较为合适的地方安装。而如果用一个复合IC来得到不同输出电压的话，接线会受到限制，无法合理利用基板的空间，可能导致基板面积增大。所以，使用单个DC/DC变换器可以达到小型化目的。
3. LCD驱动电源
　　图2是产生LCD用正电压和负电压的应用电路，它用一个升压DC/DC变换器来产生正负电压。电路中使用了VDD/VOUT分离型器件S-8356Q50，在Vout端子接口，通过使用电阻对输出电压进行分压，这样可以调整输出电压。通过R1和R2正电压可以达到很高，负电压可以通过C1、SD3、SD2使正电压反转为负电压。
在这个电路中，正电压直接反转为负电压，所以正电压和负电压不会产生不平衡的电压。需要不平衡电压时，可在输出端通过晶体管等做成稳压电路来稳定电压。
4. 白光LED用电源
　　图3所示的电路是白光LED用电源。由于白光LED是电流控制，因此需要稳定的电流。此电路中，流过LED的是稳定电流。为控制各LED亮度偏差，LED采用串联的方式排列。DC/DC变换器采用了S-8356Q15 VDD端子与VOUT端子分离型，输出电压为1.5V。

　　在此电路中，决定流过LED电流大小的是R1电阻。即使各个LED的Vf有所偏差，A点的电压也会被控制在1.5V。因此，如果20mA的电流流过LED，电阻值则为：1.5V÷20mA=75Ω。此电路的特点为：因为流过LED的是稳定的电流，所以即使LED的vf有所偏差，各个LED的亮度也会是相同的。而且，由于采用了通用DC/DC变换器，可以很简单地构成所需电路。
电源设计决策
　　在选择DC/DC变换器时，电路设计要注意输出电流、高效率、小型化，输出电压要求：
1. 如需求的输出电流较小，可选择FET内置型；输出电流需要较大时，选择外接FET类型。
2. 关于效率有以下考虑：如果需优先考虑重负荷时的纹波电压及消除噪音，可选择PWM控制型；如果同时亦需重视低负荷时的效率，则可选择PFM/PWM切换控制型。
3. 如要求小型化，则可选择能使用小型线圈的高频产品。
4. 在输出电压方面，如果输出电压需要达到固定电压以上，或需要不固定的输出电压时，刚可选择输出可变的VDD/VOUT分离型产品。
1. PFM与PWM比较
　　PWM控制、PFM控制和PWM/PFM切换控制模式这三种控制方式各有各的优点与缺点： DC/DC变换器是通过与内部频率同步开关进行升压或降压，通过变化开关次数进行控制，从而得到与设定电压相同的输出电压。PFM控制时，当输出电压达到在设定电压以上时即会停止开关，在下降到设定电压前，DC/DC变换器不会进行任何操作。但如果输出电压下降到设定电压以下，DC/DC变换器会再次开始开关，使输出电压达到设定电压。PWM控制也是与频率同步进行开关，但是它会在达到升压设定值时，尽量减少流入线圈的电流，调整升压使其与设定电压保持一致。
　　与PWM相比，PFM的输出电流小，但是因PFM控制的DC/DC变换器在达到设定电压以上时就会停止动作，所以消耗的电流就会变得很小。因此，消耗电流的减少可改进低负荷时的效率。PWM在低负荷时虽然效率较逊色，但是因其纹波电压小，且开关频率固定，所以噪声滤波器设计比较容易，消除噪声也较简单。
若需同时具备PFM与PWM的优点的话，可选择PWM/PFM切换控制式DC/DC变换器。此功能是在重负荷时由PWM控制，低负荷时自动切换到PFM控制，即在一款产品中同时具备PWM的优点与PFM的优点。在备有待机模式的系统中，采用PFM/PWM切换控制的产品能得到较高效率。

2. 高频的优点
　　通过实际测试PWM与PFM/PWM的效率，可以发现PWM/PFM切换的产品在低负荷时的效率较高。至于高频方面，通过提高DC/DC变换器的频率，可以实现大电流化、小型化和高效率化。但是，必须注意的是只有通过线圈的特性配合才可以提高效率。因为当DC/DC变换器高频化后，由于开关次数随之增加的原因，开关损失也会增大，从而导致效率会有所降低。因此，效率是由线圈性能提升与开关损失增加两方面折衷决定的。
　　通过使用高效率的产品，相对可使用较低电感值的线圈，可以使用小型线圈，即使使用的是小型线圈也可得到相同的效率及输出电流。
　　使用600kHz的S-8357N33及300kHz的S-8358F33，对前面线圈在电荷特性上所作的比较可以得出在效率上两者具有相同的特性，输出电流方面两者都可得到200mA的电流。但是，如果将600kHz的DC/DC变换器所使用的小型线圈用在300kHz，就只能得到100mA左右的输出电流，原因是Ipk已超过了该小型线圈的额定电流600mA，由此可证明高频率化的确可实现产品小型化目标。
3. VDD/VOUT分离的使用方法
　　图4说明了有关VDD/VOUT分离的DC/DC变换器使用原理及方法。在调整输出电压的时候，或是将输出电压设定在IC的绝对最大额定值以上时，使用VDD/VOUT分离的产品。图4是VDD与VOUT分离的应用电路图。当需输出超过IC额定耐压值时，VDD接在输出电压端。VOUT是经过Ra、Rb分压后的电压，通过改变Ra和Rb的电阻值可以进行电压调整。
4. 外接器件选择
　　除了需要关注DC/DC变换器本身的特性外, 外接组件的选择也不能忽视。外接组件中的线圈、电容器和FET对于开关电源特性有着很大影响。这里所谓的特性是指输出电流、输出纹波电压及效率。
线圈：如果需要追求高效率，最好选择直流电阻和电感值较小的线圈。但是，如果电感值较小的线圈用于频率较低的DC/DC，就会超过线圈的额定电流，线圈会产生磁饱和现象，引起效率恶化或损坏线圈。而且如果电感值太小，也会引起纹波电压变大。所以在选择线圈时，请注意流向线圈的电流不要超过线圈的额定电流。在选择线圈时，需要根据输出电流、DC/DC的频率、线圈的电感值、线圈的额定电流和纹波电压等条件综合决定。
电容：输出电容的容量越大，纹波电压就越小。但是较大的容量也意味着较大的电容体积，所以请选择最适合的容量。

三极管：作为外接的三极管，与双极晶体管相比，因FET的开关速度比较快，所以开关损耗会较小，效率会更高一些。
本文小结
数码相机电源设计的器件选择需要注意以下几点：
1. 选择设计灵活性較大的DC/DC变换器，扩大电路设计的范围。
2. 低消耗电流、高效率可延长电池的使用寿命。
3. 可使用小型的外接元器件，实现产品小型化。
4. 有力的技术支持工具。
　　最后一点是在前面没有提及的，在DC/DC设计过程中的技术支持亦是重要的环节。毕竟DC/DC在某中程度上是属于半定制产品。DC/DC是标准的，但当配上不同外接组件后可以得出不同的效率和输出电压。因此，DC/DC本身规格固然重要，但供货商的技术支持亦不可忽视。技术支持的方式可分为2部分：一部分为硬件，包括提供评估线路板、外接组件支持；另一部分为提供一些模拟软件，以便在实际测试前可以做出评估，节省设计时间。

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