數碼相機正在迅速取代膠片相機。隨著傳統相機制造商和消費電子產品制造商迅速推出產品，市場正在擴大。數碼相機的電源管理尤其困難，因為高速邏輯、靈敏的CCD成像和顯示器必須同時高效供電。當然，電源空間、重量和熱量也很重要。為了實現這些設計，需要先進的PMIC。

數碼相機可能需要六個或更多不同的電壓才能工作。其中包括系統邏輯電源、低壓 DSP 內核、快門執行器和鏡頭電機、CCD 偏置、LCD 偏置和 LCD 背光。典型的緊湊型數碼相機的框圖如圖1所示。用于數碼相機的第一代電源IC是，在某些情況下仍然是多通道PWM控制器IC，它與外部MOSFET和變壓器一起工作，以產生多個相機工作電壓。這些設計的局限性是效率低、外部元件數量大、電路尺寸大。雖然控制器IC本身價格低廉，但總電路成本可能很高，特別是如果需要高性能MOSFET和變壓器來保持效率，而不是浪費有限的電池容量。

圖1.這個緊湊的數碼相機框圖顯示了各種工作電壓。

集成方面的進展

過去幾年的IC工藝改進使電源開關與其他功能更加集成。這種集成與IC封裝的進步相結合，正在提供新一代集成多功能電源IC。這些芯片提供數碼相機所需的所有電壓，同時顯著延長電池壽命并大幅減少組件數量。特別重要的是，許多設計都消除了變壓器。這不僅降低了成本，而且加快了設計時間，因為變壓器通常不是由供應商庫存的。變壓器是需要特殊訂購的定制元件，這是標準現成電感器不需要的。

除了消除變壓器外，新型電源IC還提高了工作頻率。這樣可以減小元件尺寸，因為如果每秒可以發生更多的開關周期，則每個開關周期需要存儲的能量更少。因此，電感和濾波電容器值降低，電感和電容器尺寸減小。較小電容值的另一個好處是，在500kHz及以上時，濾波器值變得足夠小，可以容納陶瓷電容。陶瓷電容器已被證明比極化類型更可靠，并且具有非常低的ESR，從而減少了紋波。

可選電源 IC 設計

緊湊型或袖珍型數碼相機的典型電源如圖2所示。多輸出IC結合了六個DC-DC電源轉換器。為數碼相機等復雜系統開發大型IC的一個困難是，與PC不同，數碼相機電源并不完全相同。電池、CCD 尺寸、顯示屏和功能的差異都會在所需的電源電壓和所需功率方面產生顯著差異。由于不同相機之間存在這種差異，因此最佳的電源IC設計是內部和外部MOSFET轉換器的混合。片內 MOSFET 用于功耗最高的電壓，而外部 MOSFET PWM 通道則為剩余電壓保留靈活性。

圖2.這款用于小型數碼相機的高度集成電源集成了六個DC-DC電源轉換器。
對于更大的圖像

圖2所示設計使用高效率內部MOSFET通道作為相機的3.3V主邏輯電源、低壓DSP內核和5V電機電源。這些電源工作時間最長，和/或使用最多的電池電量。因此，它們從內部 MOSFET 功率開關和同步整流提供的高效率中獲益最多。這些電源的功率轉換效率接近95%。CCD 圖像傳感器、LCD 顯示屏和 LED 背光的附加電壓因設計而異。因此，它們是外部FET通道的良好候選者，可以針對不同的CCD像素數和LCD屏幕尺寸進行優化。

對于CCD偏置，設計通常使用變壓器產生正（通常為+15V）和負（-7.5V）輸出。但是，變壓器很大，如果施加高度限制，會造成特別的困難。在空間有限的設計中，如緊湊型相機，首選使用基于電感的逆變器和升壓轉換器。當像素數上升到3MP及以上時尤其如此，這會增加所需的電流。變壓器效率和尺寸限制變得更加重要。設計示例通過外部FET升壓通道（AUX1）為LCD和CCD偏置產生+15V電壓，在外部FET反相通道（AUX2）下為負CCD偏置產生-7.5V電壓。

與高端型號相比，緊湊型數碼相機往往節省功能。盡管如此，較小的袖珍相機開始包含更大的相機功能，例如光學變焦，自動對焦和更高的像素分辨率。所有這些功能，特別是需要電機的機械功能，如自動對焦，通常使用5V電源，并消耗幾百毫安或更高的高峰值負載。盡管該電源的平均負載可能只有其峰值的十分之一，但瞬時峰值不夠短，無法使用低電流電源和大電容器。電容尺寸很快就會變得令人望而卻步，因此升壓轉換器的額定峰值電機負載電流通常高達1A。需要高功率片內MOSFET來有效地為該負載供電（高達95%）。

降壓/升壓問題

兩種電池配置已成為小型數碼相機最受歡迎的配置。這些是 2 節 AA（堿性或鎳氫）和 1 節 Li+ 電池。有時，相機可能設計為同時使用兩種電池配置。這對電源設計人員來說尤其具有挑戰性，因為在某些情況下，必須對電池進行升壓以產生某些工作電壓（例如3.3V）。在其他情況下，必須將其降壓以產生相同的電壓。這需要升壓/降壓（或降壓/升壓）設計。在較舊的相機設計中，這是通過反激式（基于變壓器）的設計完成的，這些設計很大、笨拙且效率相當低下——通常效率不超過 70%。

具有多個輸出的集成設計使得創建降壓/升壓轉換器變得容易，因為升壓電源可用于為降壓電源供電。這種方法不常用于解決降壓/升壓問題，因為它需要單獨的降壓和升壓級具有出色的效率，以提供足夠的組合效率。但現在電流模式升壓和降壓轉換器可以達到95%，組合效率達到90%，遠遠優于反激式和SEPIC設計。

何時以及如何組合級以實現降壓-升壓操作取決于電池類型。由兩節AA電池組成的電池工作電壓約為1.8V至3.6V，而Li+電池的工作電壓范圍為2.7V至4.2V。Li+供電設計可能需要降壓/升壓轉換器來產生3.3V電壓。使用兩節AA電池的設計可能還需要一個降壓/升壓轉換器，因為當電池負載嚴重時，DSP內核（通常為1.5V或1.8V）電源可能沒有足夠的裕量從電池供電。在這兩種情況下，都可以通過級聯DC-DC轉換器級來制造高效的降壓/升壓轉換器。通過首先升壓至5V （V蘇5V，圖 2），然后降壓至 3.3V（VM 3.3V，圖 2）。通過從5V為降壓輸入（PVSD）供電，可以采用相同的方式提供1.8V電源。當然，當使用Li+電池時，內核降壓電源可以直接由電池供電（如圖2所示）。

緊湊型數碼相機的電池可能更小。當然，當使用較小的電池時，需要高效率。此外，較小的電池無法提供與較大電池相同的負載峰值。系統電源管理必須經常關閉未使用的電源以延長電池壽命。當電源重新打開時，它們不得吸收大電流，從而降低電池電壓。圖2中的集成電源以受控速率斜坡上升每個輸入，使每個輸出在激活時將輸入電流浪涌降至最低。這也確保了輸出以可預測的方式上升，以便進行排序。

可靠性和安全性增強

除了提供必要的電壓外，還有一個 IC、集成電源電路為電壓和故障監控提供了優勢，這通常需要大量外部元件。這對可靠性和安全性都有好處。在圖2中，三個輸出給出了三個最關鍵電壓的狀態。/SDOK提供為DSP內核供電的電源狀態。在某些設計中，在DSP內核電源處于穩壓狀態之前，無法激活DSP芯片的3.3V電源。/SDOK可以向處理器發出信號，或直接驅動一個P溝道MOSFET，該MOSFET負責控制3.3V電源。/AUX1OK 可以對其中一個 PWM 控制器執行相同的功能，并為 CCD 或 LCD 偏置提供 OK 標志。

像緊湊型數碼相機這樣的便攜式設備可能會受到惡劣條件的影響。它可能會掉落、弄濕或暴露在極端溫度下。電源設計無法防止惡劣條件造成的損壞，但它可以通過在出現不利條件時關閉來最大限度地減少損壞并提高安全性。另一方面，設計不能太敏感，否則可能會在正常負載瞬變期間關閉。高集成度通過監控所有電源通道支持高安全級別。如果任何通道過載或短路超過 200 毫秒，則所有電源都將關閉。200ms的延遲足夠長，允許負載瞬變發生而不會發生誤觸發。故障標志 （SCF） 可以告知系統發生了故障。此外，片內 MOSFET 還受到熱關斷保護。

結論

顯然，數碼相機等小型設備的高性能電源管理最好通過高集成度來實現。除了只需要一個IC的明顯優勢外，優勢還包括無源元件減少、效率顯著提高、降壓/升壓拓撲結構的簡單實現以及可靠性的提高。

審核編輯：郭婷