CCD数字相机的电源系统设计

　　无论是BUCK型还是BOOST型，都采用电感元件作为转换过程中的储能元件，电路工作是开关状态，所以噪声比较大。因为开关工作频率高达1MHz～4MHz，必然向周边发射电磁波，成为一种高频的噪声干扰源。在设计中常采用带屏蔽的电感线圈或具有闭合磁力线的高频磁罐，以减少电磁辐射的能量，但这样又会使得稳压器尺寸变大。另外，PCB中元件的合理布局将成为设计中很重要的环节，关键元件的相互位置会影响稳压器的稳定性能、器件的发热量，甚至造成稳压器无法正常工作，必须引起重视[4]。开关型稳压电源适用于输入电压波动比较大且工作电流也比较大的数字电路。

2.2 线性稳压电路

线性稳压电路是通过功率调整管(大功率晶体管、大功率MOS管)分担输入电压与输出电压的差值，当压差增大或工作电流增大时都会引起调整管的热功耗增大，表现为元件发热、发烫，电能被无为地转化成了热能，转换效率必然降低。为获得较好调整性能，调整管工作点必须设计在功率调整管线性工作区段，调整管的管压降不能设置得太小，也不能设置得太大，太小会影响整个稳压性能。而管压降设计得太大会产生更多的热量，特别是当输出电流增大时，调整管的热功耗也随之增大(W热=VCE×IC)，尽管目前已经出现了新型的高性能的LDO低压差线性稳压器，但是当输出电流增大时，同样会引起电路元件发热。而且这类器件的额定工作电流比较小，只适合于较轻的负载。由于线性稳压电路是一种线性工作的电路，为了获得较小的纹波，会采用比较大的滤波电容。电容容量越大，体积也越大。线性稳压电路适用于小电流工作的模拟电路负载。

3 CCD相机电源系统设计对策

CCD相机是一种比较特殊的电子产品，它的体积空间受限，外部供电电源单一，而且CCD器件本身是一种对热量十分敏感的元件，热噪声对它的影响将直接影响图像的质量和相机的整体性能。因此应对相机所需的各路电源规格做细致的分析和计算，确定各自的稳压值、额定工作电流、最大电流。

在目标相机中：运放电路需要28V@30mA、CCD芯片中的VSFD需要 20V@50mA、光生电荷从图像感光区→图像存储区、图像存储区→像元输出队列需要10V@100mA、像元从像元队列输出需要5V@20mA、MCU、FPGA和LVDS的工作电压需要3.3V@ 300mA和1.2V@30mA共六档直流稳压电源。

如果电源转换电路设计采用清一色的开关电源，转换效率会很高，但是高频电磁波的干扰也会很大。在调试过程中，测量SW引脚的波形发现，当稳压器输出较大电流时，功率MOS管工作在固定的频率和固定的脉宽下，占空比和开关波形处在正常状态，如图2所示。而当输出负载很轻（20mA以下）时，转换器的振荡频率虽然没有发生变化，但是占空比和开关波形出现了较大的畸变,如图3所示，由方波变成了阻尼振荡波，电路处在一种不稳定的工作状态，这是工作电流太小而引起的。根据实验结果，把CCD相机电源的系统结构设计规划成以下形式：采用线性稳压或LDO电路实现小电流负载的转换，而升压和大电流输出采用BOOST/BUCK开关型转换电路，同时实现关键稳压器的上电顺序控制。该形式的设计特点是：采用开关型稳压和线性稳压相混合的结构。CCD相机的电源系统组成结构如图4所示。

采用这种结构设计的电源系统，在接通相机电源开关时，仅给相机中担负控制功能的MCU 和I/O接口电路提供3.3V电压，整个相机处于待机状态[5]。只有当相机接收到工作指令时，才逐一打开其余各组电源，图4中的EN1和 EN2信号分别用来控制10V 和5V 转换器的使能端。这种电源管理模式有利于减少CCD相机的待机功耗，把电路工作所产生的热量降至最低。

CCD数字相机的电源系统是相机的一个重要组成部分。它为相机的各个模块电路提供额定的电源，将外部提供的单一电源转换成多路分电源供相机使用。本文的设计方案采用了线性稳压或LDO电路与BOOST/BUCK开关型转换电路相结合的工程模式,并经实际工程验证。DC/DC电源转换的结构要通过分析各个模块电路的工作性质，并根据电路的实际负载需求，系统地制定CCD相机电源的组成结构。目标是使DC/DC转换电源达到CCD相机所期望的高效率、低发热量、高稳定性能的指标。开关型稳压和线性稳压混合结构设计理念与Micrel公司最新一代DC/DC转换器设计理念[6]有相似之处，即小电流采用LDO结构，大电流采用开关型结构，两者相互并联以控制电路实现两种转换器工作状态的无缝转换。