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
- 采用開關型穩壓和線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用相機，它攝取的數字圖像信息通過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過程控制、醫療診斷、航空航天遙測、軍事偵察等諸多領域。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，電荷包在驅動時序脈沖的作用下移動，并經放大輸出圖像陣列的像素信號。驅動時序脈沖的種類比較多，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，要求的技術指標各不相同。所以CCD相機的電源系統設計對于研發一款高性能的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，較高頻率的開關電流會通過電感產生電磁場發射到周邊 ，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。電源的轉換必定會產生熱量，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，這是一個很嚴重的問題。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，如設計不妥會造成CCD相機的各個電子部件不穩定，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CCD相機需要5～8路電源，為了更具體地說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)，其成像工作原理是：光學元件（如透鏡）將影像成像于FT18的圖像感光區（焦平面），在時序脈沖的作用下， 圖像感光區中產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地從芯片輸出端輸出。再經過視頻A/D轉換，便獲得以LVDS 方式輸出的數字視頻信號。
CCD 相機中的圖像信息的流動和變換是通過相機中的FPGA/CPLD時序發生器的驅動和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
將一種直流電源轉換成另一種直流電源稱作DC/DC轉換。實現轉換功能的電路有兩大類，一類是開關型穩壓電路，它利用自激勵或他激勵方法產生高頻開關電流，用非線性儲能元件（如電感）再次轉換成直流，這類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現DC/DC電壓轉換， 目前已經有各種性能較好的專用IC來完成電路的控制和轉換功能。另一類是線性穩壓電路，現在已經發展到LDO（Low DropOut regulator）, LDO 是一種低壓差線性穩壓器。線性穩壓器使用晶體管或FET運行在其線性區域內,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,從而產生經過調節后的額定輸出電壓。
a.開關穩壓電路
圖1為二款不同功能的開關型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。由于其轉換效率高，電路中元器件的發熱量相對較小。由于電路處于較高頻率的開關工作狀態，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，只由電感給負載供電。如此周期性地工作，通過調節電源接通的相對時間，來實現調節輸出電壓。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的電源串聯，從而提高輸出電壓。如此周期性地重復。
無論是BUCK型還是BOOST型，都采用電感元件作為轉換過程中的儲能元件，電路工作是開關狀態，所以噪聲比較大。因為開關工作頻率高達1MHz～4MHz，必然向周邊發射電磁波，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節，關鍵元件的相互位置會影響穩壓器的穩定性能、器件的發熱量，甚至造成穩壓器無法正常工作，必須引起重視。開關型穩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字電路。
b.線性穩壓電路
線性穩壓電路是通過功率調整管(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都會引起調整管的熱功耗增大，表現為元件發熱、發燙，電能被無為地轉化成了熱能，轉換效率必然降低。為獲得較好調整性能，調整管工作點必須設計在功率調整管線性工作區段，調整管的管壓降不能設置得太小，也不能設置得太大，太小會影響整個穩壓性能。而管壓降設計得太大會產生更多的熱量，特別是當輸出電流增大時，調整管的熱功耗也隨之增大(W熱=VCE×IC)，盡管目前已經出現了新型的高性能的LDO低壓差線性穩壓器，但是當輸出電流增大時，同樣會引起電路元件發熱。而且這類器件的額定工作電流比較小，只適合于較輕的負載。由于線性穩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關電源，轉換效率會很高，但是高頻電磁波的干擾也會很大。在調試過程中，測量SW引腳的波形發現，當穩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，占空比和開關波形處在正常狀態，如圖2所示。而當輸出負載很輕（20mA以下）時，轉換器的振蕩頻率雖然沒有發生變化，但是占空比和開關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，這是工作電流太小而引起的。根據實驗結果，把CCD相機電源的系統結構設計規劃成以下形式：采用線性穩壓或LDO電路實現小電流負載的轉換，而升壓和大電流輸出采用BOOST/BUCK開關型轉換電路，同時實現關鍵穩壓器的上電順序控制。該形式的設計特點是：采用開關型穩壓和線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，在接通相機電源開關時，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，整個相機處于待機狀態。只有當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，把電路工作所產生的熱量降至最低。
CCD數字相機的電源系統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換成多路分電源供相機使用。本文的設計方案采用了線性穩壓或LDO電路與BOOST/BUCK開關型轉換電路相結合的工程模式,并經實際工程驗證。DC/DC電源轉換的結構要通過分析各個模塊電路的工作性質，并根據電路的實際負載需求，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、低發熱量、高穩定性能的指標。開關型穩壓和線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，大電流采用開關型結構，兩者相互并聯以控制電路實現兩種轉換器工作狀態的無縫轉換。
