CCD数字相机的电源系统设计

中心论题：

• 相机电源性能对CCD相机性能的影响
• CCD 相机电源的电气特性
• 电源类型的选择
• CCD相机电源系统设计对策

解决方案：

• 确定相机所需的各路电源的稳压值、额定工作电流、最大电流
• 采用开关型稳压和线性稳压相混合的结构
• 减少CCD相机的待机功耗

CCD 数字相机是有别于家用数码相机的专用相机，它摄取的数字图像信息通过数据通讯接口方式传递给负责数据图像处理的计算机。这种数字相机主要用于工业过程控制、医疗诊断、航空航天遥测、军事侦察等诸多领域。其中CCD芯片是图像采集的核心器件，它将可见或红外的被测影像以及内在特征转换成被计算机处理的数据。CCD器件集光电转换、电荷存储、电荷转移、信号读取于一体。CCD器件的突出特点是以电荷作为信号的载体，不同于真空电视摄像管是以电流或电压作为信号。CCD器件是将光能转换成光生电荷包，电荷包在驱动时序脉冲的作用下移动，并经放大输出图像阵列的像素信号。驱动时序脉冲的种类比较多，电压幅值变化比较大。CCD相机内置有运算放大器、FPGA、MCU多种IC电路，因此需要5路以上稳压电源。电压幅度的跨度从直流1.2V到28V，输出给各路负载的电流参差不齐，范围覆盖10mA～400mA不等。从功能上划分，有供给数字电路的，也有供给模拟电路的，要求的技术指标各不相同。所以CCD相机的电源系统设计对于研发一款高性能的CCD 相机很重要。
   
相机电源的性能会从以下诸多方面对CCD 相机性能产生影响：
a.DC/DC电源转换电路采用电感元件设计，较高频率的开关电流会通过电感产生电磁场发射到周边 ，对CCD相机中的其他电路形成电磁辐射干扰。

b.通常提供给CCD相机的电源是单一电源，电源系统必须把单一电源转换成5～8路的适用电源。电源的转换必定会产生热量，而CCD芯片对热量十分敏感，温度每升高7℃，CCD芯片的噪声将提高一倍，这是一个很严重的问题。在设计中采用何种转换方式将直接影响CCD 相机的整体性能。

c.外部提供的输入电源有可能出现波动，如设计不妥会造成CCD相机的各个电子部件不稳定，电源系统设计必须充分考虑，留出一定的容裕度。

d.由于CCD相机内部空间很小，电源电路的选型、PCB上元件的布置、元件尺寸和元件数量必须充分考虑以满足系统设计的合理性和可行性。在这里，抗干扰与低噪声设计将成为电源设计工作不可忽视的一部分。

CCD 相机电源的电气特性
因为一个CCD相机需要5～8路电源，为了更具体地说明电源系统设计指标，现以一款帧传输CCD芯片FT18为例。FT18是CANADA DALSA 公司出品的CCD芯片，它的有效像元为1024×1024(其他性能指标不在此细说)，其成像工作原理是：光学元件（如透镜）将影像成像于FT18的图像感光区（焦平面），在时序脉冲的作用下， 图像感光区中产生的光生电荷包被驱入图像存储区。然后，图像存储区的电荷包被逐行逐点地从芯片输出端输出。再经过视频A/D转换，便获得以LVDS 方式输出的数字视频信号。
　　
CCD 相机中的图像信息的流动和变换是通过相机中的FPGA/CPLD时序发生器的驱动和MCU的控制管理下完成的。整个CCD相机正常工作需要以下6种稳压电源，它们的电压值和最大输出电流分别是：28V@30mA、20V@50mA、10V@100mA、5V@20mA、3.3V@300mA和1.2V@30mA。
　　
此外，为了保证CCD芯片能可靠工作而不受损坏，除了对上述电源的稳定值必须有要求外，还要对上电顺序有一定要求，因此设计时必须考虑其中个别电源的上电顺序要可控。

电源类型的选择
将一种直流电源转换成另一种直流电源称作DC/DC转换。实现转换功能的电路有两大类，一类是开关型稳压电路，它利用自激励或他激励方法产生高频开关电流，用非线性储能元件（如电感）再次转换成直流，这类转换可以分为升压型的、降压型的和隔离型的。早先是用分立元件实现DC/DC电压转换， 目前已经有各种性能较好的专用IC来完成电路的控制和转换功能。另一类是线性稳压电路，现在已经发展到LDO（Low DropOut regulator）, LDO 是一种低压差线性稳压器。线性稳压器使用晶体管或FET运行在其线性区域内,从输入电压中减去超额部分的电压，其压差由晶体管的管压降分担,从而产生经过调节后的额定输出电压。

a.开关稳压电路
图1为二款不同功能的开关型DC/DC转换电路。它们具有转换效率高、重量轻，既可以升压，又可以降压，输出功率大等特点。由于其转换效率高，电路中元器件的发热量相对较小。由于电路处于较高频率的开关工作状态，只需采用小容量、小体积的滤波电容即可见效。对输入源电压波动的容裕范围比较宽。

 
开关型DC/DC电源分为：BUCK型和BOOST型。前者为降压型,后者为升压型。BUCK型的基本原理: 电源通过一个电感给负载供电,同时电感储存一部分能量,然后将电源断开，只由电感给负载供电。如此周期性地工作，通过调节电源接通的相对时间，来实现调节输出电压。BOOST型的基本原理: 电源先给电感储能，然后，将电感中所储电能与原来的电源串联，从而提高输出电压。如此周期性地重复。
　　
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。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。

b.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。

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。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。

 

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