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
- 電源類型的選擇
- CCD相機電源系統(tǒng)設(shè)計對策
解決方案：
- 確定相機所需的各路電源的穩(wěn)壓值、額定工作電流、最大電流
- 采用開關(guān)型穩(wěn)壓和線性穩(wěn)壓相混合的結(jié)構(gòu)
- 減少CCD相機的待機功耗
CCD 數(shù)字相機是有別于家用數(shù)碼相機的專用相機，它攝取的數(shù)字圖像信息通過數(shù)據(jù)通訊接口方式傳遞給負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)圖像處理的計算機。這種數(shù)字相機主要用于工業(yè)過程控制、醫(yī)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，它將可見或紅外的被測影像以及內(nèi)在特征轉(zhuǎn)換成被計算機處理的數(shù)據(jù)。CCD器件集光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體。CCD器件的突出特點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(zhuǎn)換成光生電荷包，電荷包在驅(qū)動時序脈沖的作用下移動，并經(jīng)放大輸出圖像陣列的像素信號。驅(qū)動時序脈沖的種類比較多，電壓幅值變化比較大。CCD相機內(nèi)置有運算放大器、FPGA、MCU多種IC電路，因此需要5路以上穩(wěn)壓電源。電壓幅度的跨度從直流1.2V到28V，輸出給各路負(fù)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(shù)字電路的，也有供給模擬電路的，要求的技術(shù)指標(biāo)各不相同。所以CCD相機的電源系統(tǒng)設(shè)計對于研發(fā)一款高性能的CCD 相機很重要。
相機電源的性能會從以下諸多方面對CCD 相機性能產(chǎn)生影響：
a.DC/DC電源轉(zhuǎn)換電路采用電感元件設(shè)計，較高頻率的開關(guān)電流會通過電感產(chǎn)生電磁場發(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(tǒng)必須把單一電源轉(zhuǎn)換成5～8路的適用電源。電源的轉(zhuǎn)換必定會產(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，這是一個很嚴(yán)重的問題。在設(shè)計中采用何種轉(zhuǎn)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(xiàn)波動，如設(shè)計不妥會造成CCD相機的各個電子部件不穩(wěn)定，電源系統(tǒng)設(shè)計必須充分考慮，留出一定的容裕度。
d.由于CCD相機內(nèi)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(shù)量必須充分考慮以滿足系統(tǒng)設(shè)計的合理性和可行性。在這里，抗干擾與低噪聲設(shè)計將成為電源設(shè)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CCD相機需要5～8路電源，為了更具體地說明電源系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)，現(xiàn)以一款幀傳輸CCD芯片F(xiàn)T18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(biāo)不在此細(xì)說)，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(qū)（焦平面），在時序脈沖的作用下， 圖像感光區(qū)中產(chǎn)生的光生電荷包被驅(qū)入圖像存儲區(qū)。然后，圖像存儲區(qū)的電荷包被逐行逐點地從芯片輸出端輸出。再經(jīng)過視頻A/D轉(zhuǎn)換，便獲得以LVDS 方式輸出的數(shù)字視頻信號。
CCD 相機中的圖像信息的流動和變換是通過相機中的FPGA/CPLD時序發(fā)生器的驅(qū)動和MCU的控制管理下完成的。整個CCD相機正常工作需要以下6種穩(wěn)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(wěn)定值必須有要求外，還要對上電順序有一定要求，因此設(shè)計時必須考慮其中個別電源的上電順序要可控。
電源類型的選擇
將一種直流電源轉(zhuǎn)換成另一種直流電源稱作DC/DC轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能的電路有兩大類，一類是開關(guān)型穩(wěn)壓電路，它利用自激勵或他激勵方法產(chǎn)生高頻開關(guān)電流，用非線性儲能元件（如電感）再次轉(zhuǎn)換成直流，這類轉(zhuǎn)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現(xiàn)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換， 目前已經(jīng)有各種性能較好的專用IC來完成電路的控制和轉(zhuǎn)換功能。另一類是線性穩(wěn)壓電路，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到LDO（Low DropOut regulator）, LDO 是一種低壓差線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器使用晶體管或FET運行在其線性區(qū)域內(nèi),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(dān),從而產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)后的額定輸出電壓。
a.開關(guān)穩(wěn)壓電路
圖1為二款不同功能的開關(guān)型DC/DC轉(zhuǎn)換電路。它們具有轉(zhuǎn)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。由于其轉(zhuǎn)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效。對輸入源電壓波動的容裕范圍比較寬。
開關(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: 電源通過一個電感給負(fù)載供電,同時電感儲存一部分能量,然后將電源斷開，只由電感給負(fù)載供電。如此周期性地工作，通過調(diào)節(jié)電源接通的相對時間，來實現(xiàn)調(diào)節(jié)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的電源串聯(lián)，從而提高輸出電壓。如此周期性地重復(fù)。
無論是BUCK型還是BOOST型，都采用電感元件作為轉(zhuǎn)換過程中的儲能元件，電路工作是開關(guān)狀態(tài)，所以噪聲比較大。因為開關(guān)工作頻率高達(dá)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(shè)計中常采用帶屏蔽的電感線圈或具有閉合磁力線的高頻磁罐，以減少電磁輻射的能量，但這樣又會使得穩(wěn)壓器尺寸變大。另外，PCB中元件的合理布局將成為設(shè)計中很重要的環(huán)節(jié)，關(guān)鍵元件的相互位置會影響穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性能、器件的發(fā)熱量，甚至造成穩(wěn)壓器無法正常工作，必須引起重視。開關(guān)型穩(wěn)壓電源適用于輸入電壓波動比較大且工作電流也比較大的數(shù)字電路。
b.線性穩(wěn)壓電路
線性穩(wěn)壓電路是通過功率調(diào)整管(大功率晶體管、大功率MOS管)分擔(dān)輸入電壓與輸出電壓的差值，當(dāng)壓差增大或工作電流增大時都會引起調(diào)整管的熱功耗增大，表現(xiàn)為元件發(fā)熱、發(fā)燙，電能被無為地轉(zhuǎn)化成了熱能，轉(zhuǎn)換效率必然降低。為獲得較好調(diào)整性能，調(diào)整管工作點必須設(shè)計在功率調(diào)整管線性工作區(qū)段，調(diào)整管的管壓降不能設(shè)置得太小，也不能設(shè)置得太大，太小會影響整個穩(wěn)壓性能。而管壓降設(shè)計得太大會產(chǎn)生更多的熱量，特別是當(dāng)輸出電流增大時，調(diào)整管的熱功耗也隨之增大(W熱=VCE×IC)，盡管目前已經(jīng)出現(xiàn)了新型的高性能的LDO低壓差線性穩(wěn)壓器，但是當(dāng)輸出電流增大時，同樣會引起電路元件發(fā)熱。而且這類器件的額定工作電流比較小，只適合于較輕的負(fù)載。由于線性穩(wěn)壓電路是一種線性工作的電路，為了獲得較小的紋波，會采用比較大的濾波電容。電容容量越大，體積也越大。線性穩(wěn)壓電路適用于小電流工作的模擬電路負(fù)載。
CCD相機電源系統(tǒng)設(shè)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(yīng)對相機所需的各路電源規(guī)格做細(xì)致的分析和計算，確定各自的穩(wěn)壓值、額定工作電流、最大電流。
在目標(biāo)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(qū)→圖像存儲區(qū)、圖像存儲區(qū)→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(wěn)壓電源。
如果電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計采用清一色的開關(guān)電源，轉(zhuǎn)換效率會很高，但是高頻電磁波的干擾也會很大。在調(diào)試過程中，測量SW引腳的波形發(fā)現(xiàn)，當(dāng)穩(wěn)壓器輸出較大電流時，功率MOS管工作在固定的頻率和固定的脈寬下，占空比和開關(guān)波形處在正常狀態(tài)，如圖2所示。而當(dāng)輸出負(fù)載很輕（20mA以下）時，轉(zhuǎn)換器的振蕩頻率雖然沒有發(fā)生變化，但是占空比和開關(guān)波形出現(xiàn)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(wěn)定的工作狀態(tài)，這是工作電流太小而引起的。根據(jù)實驗結(jié)果，把CCD相機電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)劃成以下形式：采用線性穩(wěn)壓或LDO電路實現(xiàn)小電流負(fù)載的轉(zhuǎn)換，而升壓和大電流輸出采用BOOST/BUCK開關(guān)型轉(zhuǎn)換電路，同時實現(xiàn)關(guān)鍵穩(wěn)壓器的上電順序控制。該形式的設(shè)計特點是：采用開關(guān)型穩(wěn)壓和線性穩(wěn)壓相混合的結(jié)構(gòu)。CCD相機的電源系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。
采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的電源系統(tǒng)，在接通相機電源開關(guān)時，僅給相機中擔(dān)負(fù)控制功能的MCU 和I/O接口電路提供3.3V電壓，整個相機處于待機狀態(tài)。只有當(dāng)相機接收到工作指令時，才逐一打開其余各組電源，圖4中的EN1和 EN2信號分別用來控制10V 和5V 轉(zhuǎn)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(shù)字相機的電源系統(tǒng)是相機的一個重要組成部分。它為相機的各個模塊電路提供額定的電源，將外部提供的單一電源轉(zhuǎn)換成多路分電源供相機使用。本文的設(shè)計方案采用了線性穩(wěn)壓或LDO電路與BOOST/BUCK開關(guān)型轉(zhuǎn)換電路相結(jié)合的工程模式,并經(jīng)實際工程驗證。DC/DC電源轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)要通過分析各個模塊電路的工作性質(zhì)，并根據(jù)電路的實際負(fù)載需求，系統(tǒng)地制定CCD相機電源的組成結(jié)構(gòu)。目標(biāo)是使DC/DC轉(zhuǎn)換電源達(dá)到CCD相機所期望的高效率、低發(fā)熱量、高穩(wěn)定性能的指標(biāo)。開關(guān)型穩(wěn)壓和線性穩(wěn)壓混合結(jié)構(gòu)設(shè)計理念與Micrel公司最新一代DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計理念有相似之處，即小電流采用LDO結(jié)構(gòu)，大電流采用開關(guān)型結(jié)構(gòu)，兩者相互并聯(lián)以控制電路實現(xiàn)兩種轉(zhuǎn)換器工作狀態(tài)的無縫轉(zhuǎn)換。
