中心論題：

• 相機電源性能對CCD相機性能的影響
• CCD 相機電源的電氣特性
• 電源類(lèi)型的選擇
• CCD相機電源系統設計對策

解決方案：

• 確定相機所需的各路電源的穩壓值、額定工作電流、最大電流
• 采用開(kāi)關(guān)型穩壓和線(xiàn)性穩壓相混合的結構
• 減少CCD相機的待機功耗

CCD 數字相機是有別于家用數碼相機的專(zhuān)用相機，它攝取的數字圖像信息通過(guò)數據通訊接口方式傳遞給負責數據圖像處理的計算機。這種數字相機主要用于工業(yè)過(guò)程控制、醫療診斷、航空航天遙測、軍事偵察等諸多領(lǐng)域。其中CCD芯片是圖像采集的核心器件，它將可見(jiàn)或紅外的被測影像以及內在特征轉換成被計算機處理的數據。CCD器件集光電轉換、電荷存儲、電荷轉移、信號讀取于一體。CCD器件的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號的載體，不同于真空電視攝像管是以電流或電壓作為信號。CCD器件是將光能轉換成光生電荷包，電荷包在驅動(dòng)時(shí)序脈沖的作用下移動(dòng)，并經(jīng)放大輸出圖像陣列的像素信號。驅動(dòng)時(shí)序脈沖的種類(lèi)比較多，電壓幅值變化比較大。CCD相機內置有運算放大器、FPGA、MCU多種IC電路，因此需要5路以上穩壓電源。電壓幅度的跨度從直流1.2V到28V，輸出給各路負載的電流參差不齊，范圍覆蓋10mA～400mA不等。從功能上劃分，有供給數字電路的，也有供給模擬電路的，要求的技術(shù)指標各不相同。所以CCD相機的電源系統設計對于研發(fā)一款高性能的CCD 相機很重要。
   
相機電源的性能會(huì )從以下諸多方面對CCD 相機性能產(chǎn)生影響：
a.DC/DC電源轉換電路采用電感元件設計，較高頻率的開(kāi)關(guān)電流會(huì )通過(guò)電感產(chǎn)生電磁場(chǎng)發(fā)射到周邊 ，對CCD相機中的其他電路形成電磁輻射干擾。

b.通常提供給CCD相機的電源是單一電源，電源系統必須把單一電源轉換成5～8路的適用電源。電源的轉換必定會(huì )產(chǎn)生熱量，而CCD芯片對熱量十分敏感，溫度每升高7℃，CCD芯片的噪聲將提高一倍，這是一個(gè)很?chē)乐氐膯?wèn)題。在設計中采用何種轉換方式將直接影響CCD 相機的整體性能。

c.外部提供的輸入電源有可能出現波動(dòng)，如設計不妥會(huì )造成CCD相機的各個(gè)電子部件不穩定，電源系統設計必須充分考慮，留出一定的容裕度。

d.由于CCD相機內部空間很小，電源電路的選型、PCB上元件的布置、元件尺寸和元件數量必須充分考慮以滿(mǎn)足系統設計的合理性和可行性。在這里，抗干擾與低噪聲設計將成為電源設計工作不可忽視的一部分。

CCD 相機電源的電氣特性
因為一個(gè)CCD相機需要5～8路電源，為了更具體地說(shuō)明電源系統設計指標，現以一款幀傳輸CCD芯片FT18為例。FT18是CANADA DALSA 公司出品的CCD芯片，它的有效像元為1024×1024(其他性能指標不在此細說(shuō))，其成像工作原理是：光學(xué)元件（如透鏡）將影像成像于FT18的圖像感光區（焦平面），在時(shí)序脈沖的作用下， 圖像感光區中產(chǎn)生的光生電荷包被驅入圖像存儲區。然后，圖像存儲區的電荷包被逐行逐點(diǎn)地從芯片輸出端輸出。再經(jīng)過(guò)視頻A/D轉換，便獲得以L(fǎng)VDS 方式輸出的數字視頻信號。
　　
CCD 相機中的圖像信息的流動(dòng)和變換是通過(guò)相機中的FPGA/CPLD時(shí)序發(fā)生器的驅動(dòng)和MCU的控制管理下完成的。整個(gè)CCD相機正常工作需要以下6種穩壓電源，它們的電壓值和最大輸出電流分別是：28V@30mA、20V@50mA、10V@100mA、5V@20mA、3.3V@300mA和1.2V@30mA。
　　
此外，為了保證CCD芯片能可靠工作而不受損壞，除了對上述電源的穩定值必須有要求外，還要對上電順序有一定要求，因此設計時(shí)必須考慮其中個(gè)別電源的上電順序要可控。

電源類(lèi)型的選擇
將一種直流電源轉換成另一種直流電源稱(chēng)作DC/DC轉換。實(shí)現轉換功能的電路有兩大類(lèi)，一類(lèi)是開(kāi)關(guān)型穩壓電路，它利用自激勵或他激勵方法產(chǎn)生高頻開(kāi)關(guān)電流，用非線(xiàn)性?xún)δ茉ㄈ珉姼校┰俅无D換成直流，這類(lèi)轉換可以分為升壓型的、降壓型的和隔離型的。早先是用分立元件實(shí)現DC/DC電壓轉換， 目前已經(jīng)有各種性能較好的專(zhuān)用IC來(lái)完成電路的控制和轉換功能。另一類(lèi)是線(xiàn)性穩壓電路，現在已經(jīng)發(fā)展到LDO（Low DropOut regulator）, LDO 是一種低壓差線(xiàn)性穩壓器。線(xiàn)性穩壓器使用晶體管或FET運行在其線(xiàn)性區域內,從輸入電壓中減去超額部分的電壓，其壓差由晶體管的管壓降分擔,從而產(chǎn)生經(jīng)過(guò)調節后的額定輸出電壓。

a.開(kāi)關(guān)穩壓電路
圖1為二款不同功能的開(kāi)關(guān)型DC/DC轉換電路。它們具有轉換效率高、重量輕，既可以升壓，又可以降壓，輸出功率大等特點(diǎn)。由于其轉換效率高，電路中元器件的發(fā)熱量相對較小。由于電路處于較高頻率的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，只需采用小容量、小體積的濾波電容即可見(jiàn)效。對輸入源電壓波動(dòng)的容裕范圍比較寬。

 
開(kāi)關(guān)型DC/DC電源分為：BUCK型和BOOST型。前者為降壓型,后者為升壓型。BUCK型的基本原理: 電源通過(guò)一個(gè)電感給負載供電,同時(shí)電感儲存一部分能量,然后將電源斷開(kāi)，只由電感給負載供電。如此周期性地工作，通過(guò)調節電源接通的相對時(shí)間，來(lái)實(shí)現調節輸出電壓。BOOST型的基本原理: 電源先給電感儲能，然后，將電感中所儲電能與原來(lái)的電源串聯(lián)，從而提高輸出電壓。如此周期性地重復。
　　
無(wú)論是BUCK型還是BOOST型，都采用電感元件作為轉換過(guò)程中的儲能元件，電路工作是開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以噪聲比較大。因為開(kāi)關(guān)工作頻率高達1MHz～4MHz，必然向周邊發(fā)射電磁波，成為一種高頻的噪聲干擾源。在設計中常采用帶屏蔽的電感線(xiàn)圈或具有閉合磁力線(xiàn)的高頻磁罐，以減少電磁輻射的能量，但這樣又會(huì )使得穩壓器尺寸變大。另外，PCB中元件的合理布局將成為設計中很重要的環(huán)節，關(guān)鍵元件的相互位置會(huì )影響穩壓器的穩定性能、器件的發(fā)熱量，甚至造成穩壓器無(wú)法正常工作，必須引起重視。開(kāi)關(guān)型穩壓電源適用于輸入電壓波動(dòng)比較大且工作電流也比較大的數字電路。

b.線(xiàn)性穩壓電路
線(xiàn)性穩壓電路是通過(guò)功率調整管(大功率晶體管、大功率MOS管)分擔輸入電壓與輸出電壓的差值，當壓差增大或工作電流增大時(shí)都會(huì )引起調整管的熱功耗增大，表現為元件發(fā)熱、發(fā)燙，電能被無(wú)為地轉化成了熱能，轉換效率必然降低。為獲得較好調整性能，調整管工作點(diǎn)必須設計在功率調整管線(xiàn)性工作區段，調整管的管壓降不能設置得太小，也不能設置得太大，太小會(huì )影響整個(gè)穩壓性能。而管壓降設計得太大會(huì )產(chǎn)生更多的熱量，特別是當輸出電流增大時(shí)，調整管的熱功耗也隨之增大(W熱=VCE×IC)，盡管目前已經(jīng)出現了新型的高性能的LDO低壓差線(xiàn)性穩壓器，但是當輸出電流增大時(shí)，同樣會(huì )引起電路元件發(fā)熱。而且這類(lèi)器件的額定工作電流比較小，只適合于較輕的負載。由于線(xiàn)性穩壓電路是一種線(xiàn)性工作的電路，為了獲得較小的紋波，會(huì )采用比較大的濾波電容。電容容量越大，體積也越大。線(xiàn)性穩壓電路適用于小電流工作的模擬電路負載。

CCD相機電源系統設計對策
CCD相機是一種比較特殊的電子產(chǎn)品，它的體積空間受限，外部供電電源單一，而且CCD器件本身是一種對熱量十分敏感的元件，熱噪聲對它的影響將直接影響圖像的質(zhì)量和相機的整體性能。因此應對相機所需的各路電源規格做細致的分析和計算，確定各自的穩壓值、額定工作電流、最大電流。

在目標相機中：運放電路需要28V@30mA、CCD芯片中的VSFD需要 20V@50mA、光生電荷從圖像感光區→圖像存儲區、圖像存儲區→像元輸出隊列需要10V@100mA、像元從像元隊列輸出需要5V@20mA、MCU、FPGA和LVDS的工作電壓需要3.3V@ 300mA和1.2V@30mA共六檔直流穩壓電源。
　　
如果電源轉換電路設計采用清一色的開(kāi)關(guān)電源，轉換效率會(huì )很高，但是高頻電磁波的干擾也會(huì )很大。在調試過(guò)程中，測量SW引腳的波形發(fā)現，當穩壓器輸出較大電流時(shí)，功率MOS管工作在固定的頻率和固定的脈寬下，占空比和開(kāi)關(guān)波形處在正常狀態(tài)，如圖2所示。而當輸出負載很輕（20mA以下）時(shí)，轉換器的振蕩頻率雖然沒(méi)有發(fā)生變化，但是占空比和開(kāi)關(guān)波形出現了較大的畸變,如圖3所示，由方波變成了阻尼振蕩波，電路處在一種不穩定的工作狀態(tài)，這是工作電流太小而引起的。根據實(shí)驗結果，把CCD相機電源的系統結構設計規劃成以下形式：采用線(xiàn)性穩壓或LDO電路實(shí)現小電流負載的轉換，而升壓和大電流輸出采用BOOST/BUCK開(kāi)關(guān)型轉換電路，同時(shí)實(shí)現關(guān)鍵穩壓器的上電順序控制。該形式的設計特點(diǎn)是：采用開(kāi)關(guān)型穩壓和線(xiàn)性穩壓相混合的結構。CCD相機的電源系統組成結構如圖4所示。

 
采用這種結構設計的電源系統，在接通相機電源開(kāi)關(guān)時(shí)，僅給相機中擔負控制功能的MCU 和I/O接口電路提供3.3V電壓，整個(gè)相機處于待機狀態(tài)。只有當相機接收到工作指令時(shí)，才逐一打開(kāi)其余各組電源，圖4中的EN1和 EN2信號分別用來(lái)控制10V 和5V 轉換器的使能端。這種電源管理模式有利于減少CCD相機的待機功耗，把電路工作所產(chǎn)生的熱量降至最低。

CCD數字相機的電源系統是相機的一個(gè)重要組成部分。它為相機的各個(gè)模塊電路提供額定的電源，將外部提供的單一電源轉換成多路分電源供相機使用。本文的設計方案采用了線(xiàn)性穩壓或LDO電路與BOOST/BUCK開(kāi)關(guān)型轉換電路相結合的工程模式,并經(jīng)實(shí)際工程驗證。DC/DC電源轉換的結構要通過(guò)分析各個(gè)模塊電路的工作性質(zhì)，并根據電路的實(shí)際負載需求，系統地制定CCD相機電源的組成結構。目標是使DC/DC轉換電源達到CCD相機所期望的高效率、低發(fā)熱量、高穩定性能的指標。開(kāi)關(guān)型穩壓和線(xiàn)性穩壓混合結構設計理念與Micrel公司最新一代DC/DC轉換器設計理念有相似之處，即小電流采用LDO結構，大電流采用開(kāi)關(guān)型結構，兩者相互并聯(lián)以控制電路實(shí)現兩種轉換器工作狀態(tài)的無(wú)縫轉換。