魯思慧

    本文主要介紹蜂窩電話和PDA等便攜組合式產(chǎn)品中緊湊式數(shù)碼相機(jī)選用高集成度電源方案的必要，并著重分析MAX1567高集成度電源芯片的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與特征。

嶄新便攜組合式產(chǎn)品發(fā)展的需要

    數(shù)碼相機(jī)已取代膠卷相機(jī)，成為最流行的照相方式。由于機(jī)身內(nèi)不必容納35mm或APS膠卷，數(shù)碼相機(jī)幾乎可以做成用戶喜歡的任意形狀和尺寸。相機(jī)功能也可自由紹合到其它產(chǎn)品中，例如蜂窩電話和PDA。這種相機(jī)極其袖珍的外形和尺寸給電池和電源管理設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。每款新一代相機(jī)總是要求這一部分越來(lái)越高效，同時(shí)占據(jù)越來(lái)越來(lái)越小的空間。

    一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)可能需要六組或更多不同電壓來(lái)支持其工作。其中包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)邏輯、低電壓DSP核、快門驅(qū)動(dòng)器、鏡頭馬達(dá)、CCD偏置、LCD偏置以及LCD背光等。圖1顯示了一個(gè)典型的緊湊型數(shù)碼相機(jī)的框圖。

    第一代數(shù)碼相機(jī)電源IC，以及目前仍在使用的有些產(chǎn)品，采用一個(gè)多通道PWM控制器，配合外部MOSFET和變壓器產(chǎn)生多組相機(jī)工作電壓。這種設(shè)計(jì)的局限性包括，比較差的效率，大量的外部元件，以及很大的電路尺寸等。盡管控制IC本身不貴，但整個(gè)電路的成本仍然很高，尤其是當(dāng)需要采用高性能MOSFET和變壓器來(lái)維持足夠的效率，以便節(jié)省有限的電池壽命時(shí)，其缺點(diǎn)更加突出。

應(yīng)用高集成度電源是最佳選擇

可以大大提升集成度

    過(guò)去幾年中，由于集成電路IC工藝的改進(jìn)，已允許將更多的功能與功率開關(guān)集成在一起。更高的集成度，再加上更先進(jìn)的IC封裝技術(shù)，造就了新一代的集成多功能電源芯片IC。這類芯片能夠提供數(shù)碼相機(jī)需要的全部電壓，同時(shí)還顯著延長(zhǎng)了電池壽命，大幅減少了元件數(shù)量。尤其突出的是，在許多設(shè)計(jì)中還省去了變壓器。這不僅降低了成本，同時(shí)還節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，因?yàn)樽儔浩魍ǔＪ枪⿷?yīng)商沒有存貨的。變壓器是定制元件，需要專門訂貨-標(biāo)準(zhǔn)的、而采用了成品化的電感則沒有這些問(wèn)題。

    除了省去了變壓器，新一代電源芯片IC還提升了工作頻率。這樣就縮小了元件的尺寸，由于每秒內(nèi)產(chǎn)生了更多的開關(guān)周期，因此每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)需要儲(chǔ)存的能量更低了。結(jié)果是，電感量和濾波電容量降低了，電感和電容的尺寸也就減小了。降低電容量帶來(lái)的另外一個(gè)好處是，當(dāng)開關(guān)頻率升至500kHz以上時(shí)，濾波器所需電容量將小到足以采用陶瓷電容。陶瓷電容被證實(shí)比電解電容更為可靠，并具有非常低的ESR(等效串聯(lián)電阻)，有利于降低紋波。

具最優(yōu)化功率的電源芯片設(shè)計(jì)

    圖2為一個(gè)用于緊湊型或袖珍型數(shù)碼相機(jī)的電源方案，它應(yīng)用了MAX1567高集成度電源芯片設(shè)計(jì)而成。

    其中的多輸出電源芯片MAX1567包含了六組DC-DC轉(zhuǎn)換器。要為數(shù)碼相機(jī)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)出大型多輸出電源芯片的難點(diǎn)之一是它不同于PC，這是因各款式數(shù)碼相機(jī)對(duì)電源的要求會(huì)有較大的差異。電池、CCD尺寸、顯示器和功能等方面的差異都會(huì)造成電源電壓及功率的顯著變化。考慮到不同款式數(shù)碼相機(jī)之間的這種差異，最佳的電源芯片設(shè)計(jì)應(yīng)該是一種內(nèi)置／外接MOSFET轉(zhuǎn)換器的混合電路。即采用片上MOSFET的轉(zhuǎn)換器用于提供耗電量比較大的電壓，而采用外部MOSFET的PWM通道可靈活用于其余的電壓輸出。

    圖2所示電路利用高效率的內(nèi)部MOSFET通路為數(shù)碼相機(jī)提供3.3V主邏輯電源、低壓DSP核電源和5V電機(jī)電源。這些電源的工作時(shí)間最長(zhǎng)，用電量最大。所以，它們從內(nèi)部MOSFET功率開關(guān)和同步整流器的獲益最大。這些轉(zhuǎn)換器的效率可以達(dá)到95％。其他用于CCD圖像傳感器、LCD顯示器和LED背光的電源不同設(shè)計(jì)會(huì)有較大差異，因此，最好采用外部MOSFET結(jié)構(gòu)，以便針對(duì)不同的CCD像素?cái)?shù)和LCD顯示屏尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

    對(duì)于CCD偏置電源，通常是利用變壓器產(chǎn)生正電壓(常常是+15V)和負(fù)電壓(-7.5V)輸出。然而，變壓器尺寸較大，當(dāng)高度受到限制時(shí)使用會(huì)有問(wèn)題。在空間有限的設(shè)計(jì)中，采用基于電感的反相和升壓轉(zhuǎn)換器更適合像緊湊型一類的數(shù)碼相機(jī)。當(dāng)像素?cái)?shù)增加到3MP以上時(shí)情況更是如此，因?yàn)樾枰叩妮敵鲭娏�。變壓器的效率和尺寸局限這時(shí)會(huì)變得更加突出。本設(shè)計(jì)實(shí)例利用外接場(chǎng)效應(yīng)管的升壓通道(AUXl)產(chǎn)生+15V同時(shí)供應(yīng)LCD和CCD偏置，外接場(chǎng)效應(yīng)管的反相通道(AUX2)為CCD提供-7.5V偏壓。與高端數(shù)碼相機(jī)機(jī)相比較，緊湊型數(shù)碼相機(jī)在功能方面也趨于緊湊。然而，一些比較小的袖珍型數(shù)碼相機(jī)也開始提供一些原來(lái)只有大型數(shù)碼相機(jī)才有的功能，例如光學(xué)變焦、  自動(dòng)對(duì)焦和更高的像素分辨率等。所有這些功能，尤其是用到馬達(dá)的機(jī)械功能，例如自動(dòng)對(duì)焦，一般使用5V電源，并會(huì)吸收高達(dá)數(shù)百毫安甚至更高的峰值負(fù)載電流，盡管掛在電源上的平均負(fù)載僅有峰值的十分之一，但峰值的持續(xù)時(shí)間又太長(zhǎng)，無(wú)法用一個(gè)低電流的電