于之靖，付 博，諸葛晶昌

（中國民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

CCD相機(jī)的BUCK-BOOST型穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

于之靖，付 博，諸葛晶昌

（中國民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

根據(jù)CCD工作過程及其耗能特點(diǎn)，應(yīng)用BUCK-BOOST開關(guān)穩(wěn)壓控制器LCT3780控制的級(jí)聯(lián)式雙向BUCK-BOOST電路，設(shè)計(jì)了一款針對(duì)CCD相機(jī)的高性能穩(wěn)壓電源。利用LTspice仿真軟件對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓電路進(jìn)行了仿真，主要對(duì)不同輸入電壓時(shí)的輸出電壓和有大突變負(fù)載時(shí)的穩(wěn)壓能力進(jìn)行了仿真，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試。

CCD；BUCK-BOOST；大突變負(fù)載；仿真

CCD相機(jī)與傳統(tǒng)相機(jī)相比在工作機(jī)理與耗能特點(diǎn)上有很大的不同 ，尤其是其核心部件CCD有著自身的耗能特點(diǎn)。而CCD相機(jī)的能量幾乎全部由電源提供，電源的質(zhì)量與能量轉(zhuǎn)換效率對(duì)CCD相機(jī)的工作有著很重要的影響。

與線性穩(wěn)壓電源相比開關(guān)穩(wěn)壓電源功耗小、穩(wěn)壓范圍寬、體積小、重量輕以及安全可靠[1]。級(jí)聯(lián)式雙向BUCK-BOOST電路具有損耗功率小，發(fā)熱少，能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)良的DC-DC變換電路的解決方案。

本文對(duì)基于BUCK-BOOST開關(guān)穩(wěn)壓控制器LTC3780的級(jí)聯(lián)式雙向BUCK-BOOST電路進(jìn)行了仿真，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 CCD相機(jī)的能耗特性

在CCD相機(jī)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成中，最核心的部分是光電傳感器（CCD），CCD相機(jī)實(shí)際上就是利用光電轉(zhuǎn)換器，將光信息轉(zhuǎn)換成電信息，再進(jìn)行專門的處理并存儲(chǔ)，完成對(duì)圖像信息的獲取[2]。在CCD工作過程中，CCD的功耗由兩部分組成，分別是靜態(tài)功耗與動(dòng)態(tài)功耗。靜態(tài)功耗是由CCD工作過程中CCD末端放大電路對(duì)信息電荷進(jìn)行測(cè)量時(shí)，放大器所消耗的功耗。動(dòng)態(tài)功耗則包括脈沖電壓對(duì)像元內(nèi)部電容進(jìn)行充放電時(shí)電流流過多晶硅電阻及外延層電阻產(chǎn)生的功耗以及信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移過程中克服晶格原子作用力做功產(chǎn)生的功耗。這三類功耗都與金屬極上所加脈沖電壓頻率密切相關(guān)。各動(dòng)態(tài)功耗與時(shí)鐘頻率成正比例關(guān)系（假定轉(zhuǎn)移電子數(shù)為105），時(shí)鐘頻率越高，動(dòng)態(tài)功耗越大[3]。

設(shè)CCD工作過程中的總功耗為W，靜態(tài)功耗為W1，動(dòng)態(tài)功耗為W2。則：

由于光電轉(zhuǎn)換是在非常短的時(shí)間內(nèi)完成的，這就說明CCD將在瞬間產(chǎn)生極大的功耗。由于：

所以CCD的功率PCCD的值將會(huì)很大。根據(jù)能量守恒定律，有：

（3）式中，PS代表電源供電功率，U代表CCD的工作電壓，I代表CCD的工作電流。由（3）式可知，當(dāng)U的值基本不變時(shí)，I的值會(huì)急劇增大。同時(shí)也說明，U必須足夠的穩(wěn)定，才能保證CCD的正常工作。

為了直觀獲取CCD相機(jī)工作時(shí)的功耗，以FLI公司出產(chǎn)的PL50100為例，給定其一系列指令，對(duì)這些指令所對(duì)應(yīng)的相機(jī)動(dòng)作進(jìn)行功耗測(cè)試，得到如表1的數(shù)據(jù)。由表1 可以看出，在CCD相機(jī)一系列典型動(dòng)作過程中，電流變化幅度較大，且是一種不連續(xù)的形式。電流變化最劇烈處發(fā)生在閃光充電期以及圖像存儲(chǔ)過程，它所對(duì)應(yīng)的即是CCD的工作過程。

表1 一組CCD相機(jī)動(dòng)作所對(duì)應(yīng)的電流及持續(xù)時(shí)間Tab.1 Current and its duration caused by a series of CCD camera action

電流的不連續(xù)性導(dǎo)致了CCD相機(jī)在每一個(gè)不同的工作時(shí)段從電源吸收的功率變化很大。在這種電流不連續(xù)的持續(xù)期間，尤其是在曝光與圖像存儲(chǔ)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生瞬間的大電流，電源必須提供足夠的功率，否則極易使相機(jī)因?yàn)楣β什蛔愣霈F(xiàn)保護(hù)性動(dòng)作，這就對(duì)電源電壓的穩(wěn)定性提出了很高的要求[4]。

2 BUCK-BOOST型DC/DC電路設(shè)計(jì)

LTC3780是一款高性能的升壓/降壓電路開關(guān)控制器（BUCK-BOOST電路開關(guān)控制器）。它采用的是一種恒定頻率電流模式架構(gòu)，它提供一個(gè)200 kHz至400 kHz的固定頻率，具有4～36V的寬輸入和寬輸出電壓，并在該范圍能夠?qū)崿F(xiàn)升壓（boost）、降壓（buck）和升壓/降壓（buck-boost）模式之間的無縫切換。它非常適用于自動(dòng)化、通信以及蓄電池供電系統(tǒng)[5]。

2.1 LTC3780的工作原理

LTC3780所控制的BUCK-BOOST電路原理圖如圖1示，其各工作模式的原理為：

1）當(dāng)VIN＜VOUT時(shí)，LTC3780工作在升壓模式。開關(guān)A始終接通，開關(guān)B則始終斷開。每個(gè)周期中開關(guān)C首先接通，通過A和C對(duì)電感L進(jìn)行充電，當(dāng)L的感生電壓超過基準(zhǔn)電壓時(shí)，C關(guān)斷，D導(dǎo)通，電感釋放能量實(shí)現(xiàn)升壓。當(dāng)L的感生電壓低于基準(zhǔn)電壓時(shí)，D關(guān)斷，C導(dǎo)通，一個(gè)周期結(jié)束。在這個(gè)周期內(nèi)，電壓的平均值即為輸出電壓VOUT。

圖1 BUCK-BOOST電路Fig.1 BUCK-BOOST circuit

2）當(dāng)VIN＞VOUT時(shí)，LTC3780工作在降壓模式。開關(guān)D始終接通，開關(guān)C則始終斷開。每個(gè)周期中開關(guān)B首先接通，電感釋放能量實(shí)現(xiàn)降壓，當(dāng)L的感生電壓低于基準(zhǔn)電壓時(shí)，B關(guān)斷，A導(dǎo)通，通過A和D對(duì)電感L進(jìn)行充電。當(dāng)L的感生電壓超過基準(zhǔn)電壓時(shí)，B導(dǎo)通，A關(guān)斷，一個(gè)周期結(jié)束。在這個(gè)周期內(nèi)，電壓的平均值即為輸出電壓VOUT。

3）當(dāng)VIN接近VOUT時(shí)，LTC3780工作在升壓/降壓模式。開關(guān)A和C與開關(guān)B和D兩組開關(guān)交替導(dǎo)通，到最后轉(zhuǎn)變成只有開關(guān)A和D導(dǎo)通時(shí)，一個(gè)周期結(jié)束。在這個(gè)周期內(nèi)，L感生電壓的平均值即為輸出電壓VOUT。

2.2 LTC3780的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

采用LTC3780實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的輸出電壓的指標(biāo)為12 V，最大輸出電流為8.4 A，蓄電池供電電壓為9～12 V。電壓轉(zhuǎn)換電路各元器件的選擇則是由輸入輸出電壓與負(fù)載要求決定的[5]。LTC3780開關(guān)穩(wěn)壓電源電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 LTC3780開關(guān)穩(wěn)壓電源電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.2 Voltage conversion circuit of the switching power supply based on LCT3780

主要電路元器件參數(shù)設(shè)計(jì)：

1）工作頻率的設(shè)定

LTC3780可提供一個(gè)200 kHz至400 kHz的固定工作頻率，較高的工作頻率會(huì)使MOSFET工作過程中產(chǎn)生較大的能量損失，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率降低，所以一般情況下可使LTC3780工作于最低頻率，即f=200 kHz。

2）電感值的計(jì)算

電感值的選擇和工作頻率的選擇相互影響，電感值的選取對(duì)紋波電流有著直接的影響，電感的紋波電流一般被設(shè)定為升壓模式最大電感電流的20％至40％，電感值的計(jì)算公式如下：

式中f是工作頻率；VIN（MIN）是最小輸入電壓；VIN（MAX）是最大輸入電壓；VOUT是設(shè)定的輸出電壓；IOUT（MAX）是設(shè)定的最大輸出負(fù)載電流；n是允許的電感器紋波電流百分比，一般取30％。

電感應(yīng)能同時(shí)滿足升壓和降壓工作模式，因此電感值應(yīng)取計(jì)算中的較大值。為了保證電壓轉(zhuǎn)換的平穩(wěn)性與快速性，實(shí)際取值應(yīng)更大些。

3）檢測(cè)電阻值的計(jì)算

檢測(cè)電阻值是根據(jù)負(fù)載電流值來確定的。升壓模式下的電阻值可由下式計(jì)算：

降壓模式下的電阻值可由下式計(jì)算：

ΔIL是升壓模式下的電感紋波電流，可由下式計(jì)算：

最后所選取的電阻值應(yīng)比根據(jù)（6）與（7）式計(jì)算而得的值小20％至30％為宜。

4）輸入電容與輸出電容的選擇

為了提高輸入和輸出電壓的電壓特性，減小輸入電壓的不連續(xù)性以及輸出電壓的紋波對(duì)整個(gè)電壓轉(zhuǎn)換模塊的影響，需要選擇低串聯(lián)阻抗的輸入和輸出濾波電容，也可用多個(gè)電容并聯(lián)。

5）MOSFET的選擇

MOSFET在電壓轉(zhuǎn)換過程中，是主要的耗能元件。MOSFET的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗是轉(zhuǎn)換過程中的主要損耗來源，導(dǎo)通損耗由MOSFET的通態(tài)電阻決定，而MOSFET的反向轉(zhuǎn)換電容參數(shù)指標(biāo)則是開關(guān)損耗的主要因素。選取具有良好性能參數(shù)的MOSFET，可以提高電壓轉(zhuǎn)換模塊的能量轉(zhuǎn)換效率。

6）分壓電阻的確定

輸出電壓是由外部兩個(gè)串聯(lián)電阻的分壓決定，可由下式計(jì)算：

R1通常選擇20 kΩ，R2則可由式（9）確定。

3 電路仿真與分析

采用LTspice軟件對(duì)LTC3780開關(guān)穩(wěn)壓電源電壓轉(zhuǎn)換電路在不同條件下進(jìn)行仿真。

1）穩(wěn)態(tài)誤差

穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出響應(yīng)期望的理論值與實(shí)際值之差。LTC3780開關(guān)穩(wěn)壓電源電壓轉(zhuǎn)換電路通常工作在兩種工作模式下：升壓模式與降壓模式。設(shè)定轉(zhuǎn)換電路分別工作在輸入電壓為10 V與16 V，額定負(fù)載電流為4.4 A的情況下。

圖3 不同電壓下的輸出電壓—時(shí)間曲線Fig.3 Curve of the output voltage and the time under different voltage

圖3（a）與圖3（b）所顯示的分別是輸入電壓為10 V與16 V情況下的輸出電壓隨時(shí)間變化曲線，其輸出響應(yīng)值達(dá)到穩(wěn)態(tài)后分別為11.963 V與11.967 V，誤差率分別為0.31％與0.27％。可見，當(dāng)負(fù)載電流為額定值4.4 A時(shí)，轉(zhuǎn)換電路在升壓模式與降壓模式下都具有良好的穩(wěn)壓能力。

2）短期穩(wěn)定性與紋波電壓

圖4（a）與圖4（b）給出了輸入電壓分別為10 V與16 V時(shí)，短時(shí)間內(nèi)（4.59～4.69 ms）電壓的波動(dòng)曲線。從圖中可以看出，無論電路處于升壓模式還是降壓模式，電路的紋波電壓都可維持在8 mV至9 mV。而在4.59～4.69 ms的時(shí)間范圍內(nèi)，無論升壓模式還是降壓模式，電壓的最大波動(dòng)值都小于25.9 mV，具有良好的短期穩(wěn)定性。

3）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性

圖4 不同電壓下短時(shí)間內(nèi)的電壓波動(dòng)曲線（4.59～4.69 ms）Fig.4 Curve of the output voltage and the time in a short duration under different voltage（4.59～4.69 ms）

圖5 不同電壓時(shí)大突變負(fù)載下的電壓曲線Fig.5 Curve of the voltage under a large load's mutation on the condition of different voltage

CCD相機(jī)的耗能的最大特點(diǎn)是工作電流的不連續(xù)，變化最劇烈的階段是在曝光與圖像存儲(chǔ)過程，是對(duì)電壓轉(zhuǎn)換電路的穩(wěn)定性要求最苛刻的一個(gè)時(shí)間段。根據(jù)這個(gè)特性，用脈沖電流負(fù)載模擬曝光時(shí)的突變大電流，驗(yàn)證電壓轉(zhuǎn)換電路輸出電壓的穩(wěn)定性。以PL50100為例，不曝光的工作電流為I1=4.4 A，曝光時(shí)疊加持續(xù)時(shí)間為4 ms的I2=4 A電流脈沖。圖5（a）與圖5（b）顯示的是有大的負(fù)載電流突變時(shí)，輸入電壓分別是為10 V與16 V時(shí)的輸出電壓隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出大的突變負(fù)載電流到來時(shí)，輸出電壓瞬間將產(chǎn)生一定的下降，在升壓與降壓兩種模式下，分別下減至11.67 V與11.69 V；經(jīng)過2.6 ms后，輸出電壓恢復(fù)至穩(wěn)定值，為11.87V。對(duì)比負(fù)載突變前后，升壓與降壓兩種模式的輸出電壓調(diào)整率分別為0.78％與0.81％。由此可見，電壓轉(zhuǎn)換電具有良好的應(yīng)對(duì)大突變負(fù)載的能力。

4）能量轉(zhuǎn)換效率

取輸入電壓分別為9 V、10 V、11 V、12 V、14 V、16 V與18 V，對(duì)電壓轉(zhuǎn)換電路的能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)測(cè)試。圖6所示為不同輸入電壓下的能量轉(zhuǎn)換效率，從中可以看出電壓轉(zhuǎn)換電路的能量轉(zhuǎn)換效率隨著輸入電壓的升高而降低。輸入電壓為9 V時(shí)，電壓轉(zhuǎn)換電路具有最高的能量轉(zhuǎn)換效率，可達(dá)97.4％；而當(dāng)輸入電壓為18 V時(shí)，電壓轉(zhuǎn)換電路具有最低的能量轉(zhuǎn)換效率，為96.9％。整體而言，各個(gè)不同輸入電壓的能量轉(zhuǎn)換效率都達(dá)到了96％以上，在整個(gè)輸入電壓波動(dòng)的范圍內(nèi)，電壓轉(zhuǎn)換電路都具有很高的能量轉(zhuǎn)換效率。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

將開關(guān)穩(wěn)壓電源與CCD相機(jī)PL50100相連，室溫為23.5 ℃的條件下，對(duì)LTC3780開關(guān)穩(wěn)壓電源電壓轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行測(cè)試，PCB電路板如圖7所示。輸入16 V時(shí)，實(shí)際輸出電壓為11.84 V。輸出電流4.4 A時(shí)，紋波電壓≤42 mV。CCD相機(jī)曝光時(shí)，實(shí)際輸出電壓為11.51 V。在沒用加裝散熱片的情況下，不曝光時(shí)，電源周圍環(huán)境溫度為55.3 ℃；頻繁曝光時(shí)，電源周圍環(huán)境溫度為61.7 ℃。

圖6 不同輸入電壓下的能量轉(zhuǎn)換效率Fig.6 Power efficiency under different input voltage

圖7 LTC3780開關(guān)穩(wěn)壓電源電壓轉(zhuǎn)換電路PCB電路板Fig.7 PCB board of the Voltage conversion circuit for the switching power supply based on LCT3780

5 結(jié)束語

通過對(duì)該開關(guān)穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換能力與應(yīng)對(duì)突變大負(fù)載能力的仿真，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的電壓輸出和較強(qiáng)的應(yīng)對(duì)大負(fù)載突變能力，并且具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，獲得較為理想的仿真結(jié)果。在實(shí)際測(cè)試中，散熱是一個(gè)急待解決的問題。由于測(cè)試時(shí)間較短，元器件發(fā)熱而造成周圍環(huán)境溫度的上升并沒有對(duì)電路的正常工作產(chǎn)生明顯的影響，但在實(shí)際應(yīng)用中，電路發(fā)熱的問題將會(huì)變得很突出，有待進(jìn)一步的解決。

[1] 何希才.穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2] 候雨石，陳永飛，何玉青，等.數(shù)碼相機(jī)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].光學(xué)技術(shù)，2002，28（5）：452-453.

HOU YU-shi，CHEN YUN-fei，HE YU-qing，et al Study of digital still camera's elements and system[J].Optical Technique，2002，28（5）：452-453.

[3] 舒平.CCD圖像傳感器像元建模與仿真[D].成都：電子科技大學(xué)，2009.

[4] 梁宜勇.數(shù)碼相機(jī)的能耗及其適配電源特性的研究[J].照相機(jī)2001（2）：41-42.

LIANG Yi-yong.Study of the digital's energy consumption and its power adapter features[J].Camera Magazine，2001（2）：41-42.

[5] LINEAR公司.LTC3780設(shè)計(jì)要點(diǎn)[M].LINEAR公司，2005.

[6] 王賦攀，楊鵬.MOSFET功率開關(guān)器件的散熱計(jì)算[J].通信電源技術(shù)，2005，22（1）：31.WANG Fu-pan，YANG Peng.Heat dispersion calculation of power switching device [J].Telecom Power Technologies，2005，22（1）：31.

Design of regulated power supply for the CCD camera based on BUCK-BOOST circuit

YU Zhi-jing，F(xiàn)U Bo，ZHUGE Jing-chang
（School of Aviation Automation，CAUC，Tianjin 300300，China ）

According to the work process and its energy consumption characteristics of CCD，by using of Bi-directional BUCK-BOOST cascade circuit controlled by the BUCK-BOOST switching regulator LTC3780 a high performance regulated power supply controller applied to CCD camera is designed.Its performance including output voltage and regulating ability of the voltage in the condition of the large load's mutation were simulated under different input voltages by LTspice，and they are also tested by experiment.

CCD；BUCK-BOOST；large load's mutation；simulation

TN494

A

1674-6236（2014）11-0088-04

2013-09-16 稿件編號(hào)：201309117

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（ZXH2012C008）

于之靖（1963—），男，河北滄州人，博士，教授。研究方向：自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)、光纖傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺測(cè)量。