CCD相機的BUCK-BOOST型穩壓電源設計

于之靖，付 博，諸葛晶昌

（中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300）

CCD相機的BUCK-BOOST型穩壓電源設計

于之靖，付 博，諸葛晶昌

（中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300）

根據CCD工作過程及其耗能特點，應用BUCK-BOOST開關穩壓控制器LCT3780控制的級聯式雙向BUCK-BOOST電路，設計了一款針對CCD相機的高性能穩壓電源。利用LTspice仿真軟件對開關穩壓電路進行了仿真，主要對不同輸入電壓時的輸出電壓和有大突變負載時的穩壓能力進行了仿真，并通過實驗進行了測試。

CCD；BUCK-BOOST；大突變負載；仿真

CCD相機與傳統相機相比在工作機理與耗能特點上有很大的不同 ，尤其是其核心部件CCD有著自身的耗能特點。而CCD相機的能量幾乎全部由電源提供，電源的質量與能量轉換效率對CCD相機的工作有著很重要的影響。

與線性穩壓電源相比開關穩壓電源功耗小、穩壓范圍寬、體積小、重量輕以及安全可靠[1]。級聯式雙向BUCK-BOOST電路具有損耗功率小，發熱少，能量轉換效率高等優點，是一種優良的DC-DC變換電路的解決方案。

本文對基于BUCK-BOOST開關穩壓控制器LTC3780的級聯式雙向BUCK-BOOST電路進行了仿真，并對其進行了實驗驗證。

1 CCD相機的能耗特性

在CCD相機的結構構成中，最核心的部分是光電傳感器（CCD），CCD相機實際上就是利用光電轉換器，將光信息轉換成電信息，再進行專門的處理并存儲，完成對圖像信息的獲取[2]。在CCD工作過程中，CCD的功耗由兩部分組成，分別是靜態功耗與動態功耗。靜態功耗是由CCD工作過程中CCD末端放大電路對信息電荷進行測量時，放大器所消耗的功耗。動態功耗則包括脈沖電壓對像元內部電容進行充放電時電流流過多晶硅電阻及外延層電阻產生的功耗以及信號電荷轉移過程中克服晶格原子作用力做功產生的功耗。這三類功耗都與金屬極上所加脈沖電壓頻率密切相關。各動態功耗與時鐘頻率成正比例關系（假定轉移電子數為105），時鐘頻率越高，動態功耗越大[3]。

設CCD工作過程中的總功耗為W，靜態功耗為W1，動態功耗為W2。則：

由于光電轉換是在非常短的時間內完成的，這就說明CCD將在瞬間產生極大的功耗。由于：

所以CCD的功率PCCD的值將會很大。根據能量守恒定律，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U的值基本不變時，I的值會急劇增大。同時也說明，U必須足夠的穩定，才能保證CCD的正常工作。

為了直觀獲取CCD相機工作時的功耗，以FLI公司出產的PL50100為例，給定其一系列指令，對這些指令所對應的相機動作進行功耗測試，得到如表1的數據。由表1 可以看出，在CCD相機一系列典型動作過程中，電流變化幅度較大，且是一種不連續的形式。電流變化最劇烈處發生在閃光充電期以及圖像存儲過程，它所對應的即是CCD的工作過程。

表1 一組CCD相機動作所對應的電流及持續時間Tab.1 Current and its duration caused by a series of CCD camera action

電流的不連續性導致了CCD相機在每一個不同的工作時段從電源吸收的功率變化很大。在這種電流不連續的持續期間，尤其是在曝光與圖像存儲時，將會產生瞬間的大電流，電源必須提供足夠的功率，否則極易使相機因為功率不足而出現保護性動作，這就對電源電壓的穩定性提出了很高的要求[4]。

2 BUCK-BOOST型DC/DC電路設計

LTC3780是一款高性能的升壓/降壓電路開關控制器（BUCK-BOOST電路開關控制器）。它采用的是一種恒定頻率電流模式架構，它提供一個200 kHz至400 kHz的固定頻率，具有4～36V的寬輸入和寬輸出電壓，并在該范圍能夠實現升壓（boost）、降壓（buck）和升壓/降壓（buck-boost）模式之間的無縫切換。它非常適用于自動化、通信以及蓄電池供電系統[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VIN＜VOUT時，LTC3780工作在升壓模式。開關A始終接通，開關B則始終斷開。每個周期中開關C首先接通，通過A和C對電感L進行充電，當L的感生電壓超過基準電壓時，C關斷，D導通，電感釋放能量實現升壓。當L的感生電壓低于基準電壓時，D關斷，C導通，一個周期結束。在這個周期內，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VIN＞VOUT時，LTC3780工作在降壓模式。開關D始終接通，開關C則始終斷開。每個周期中開關B首先接通，電感釋放能量實現降壓，當L的感生電壓低于基準電壓時，B關斷，A導通，通過A和D對電感L進行充電。當L的感生電壓超過基準電壓時，B導通，A關斷，一個周期結束。在這個周期內，電壓的平均值即為輸出電壓VOUT。

3）當VIN接近VOUT時，LTC3780工作在升壓/降壓模式。開關A和C與開關B和D兩組開關交替導通，到最后轉變成只有開關A和D導通時，一個周期結束。在這個周期內，L感生電壓的平均值即為輸出電壓VOUT。

2.2 LTC3780的應用電路設計

采用LTC3780實現電壓轉換的輸出電壓的指標為12 V，最大輸出電流為8.4 A，蓄電池供電電壓為9～12 V。電壓轉換電路各元器件的選擇則是由輸入輸出電壓與負載要求決定的[5]。LTC3780開關穩壓電源電壓轉換電路如圖2所示。

圖2 LTC3780開關穩壓電源電壓轉換電路Fig.2 Voltage conversion circuit of the switching power supply based on LCT3780

主要電路元器件參數設計：

1）工作頻率的設定

LTC3780可提供一個200 kHz至400 kHz的固定工作頻率，較高的工作頻率會使MOSFET工作過程中產生較大的能量損失，導致轉換效率降低，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，電感值的選取對紋波電流有著直接的影響，電感的紋波電流一般被設定為升壓模式最大電感電流的20％至40％，電感值的計算公式如下：

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是設定的輸出電壓；IOUT（MAX）是設定的最大輸出負載電流；n是允許的電感器紋波電流百分比，一般取30％。

電感應能同時滿足升壓和降壓工作模式，因此電感值應取計算中的較大值。為了保證電壓轉換的平穩性與快速性，實際取值應更大些。

3）檢測電阻值的計算

檢測電阻值是根據負載電流值來確定的。升壓模式下的電阻值可由下式計算：

降壓模式下的電阻值可由下式計算：

ΔIL是升壓模式下的電感紋波電流，可由下式計算：

最后所選取的電阻值應比根據（6）與（7）式計算而得的值小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性以及輸出電壓的紋波對整個電壓轉換模塊的影響，需要選擇低串聯阻抗的輸入和輸出濾波電容，也可用多個電容并聯。

5）MOSFET的選擇

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

6）分壓電阻的確定

輸出電壓是由外部兩個串聯電阻的分壓決定，可由下式計算：

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LTC3780開關穩壓電源電壓轉換電路在不同條件下進行仿真。

1）穩態誤差

穩態誤差是指系統穩定運行時輸出響應期望的理論值與實際值之差。LTC3780開關穩壓電源電壓轉換電路通常工作在兩種工作模式下：升壓模式與降壓模式。設定轉換電路分別工作在輸入電壓為10 V與16 V，額定負載電流為4.4 A的情況下。

圖3 不同電壓下的輸出電壓—時間曲線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間變化曲線，其輸出響應值達到穩態后分別為11.963 V與11.967 V，誤差率分別為0.31％與0.27％。可見，當負載電流為額定值4.4 A時，轉換電路在升壓模式與降壓模式下都具有良好的穩壓能力。

2）短期穩定性與紋波電壓

圖4（a）與圖4（b）給出了輸入電壓分別為10 V與16 V時，短時間內（4.59～4.69 ms）電壓的波動曲線。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的時間范圍內，無論升壓模式還是降壓模式，電壓的最大波動值都小于25.9 mV，具有良好的短期穩定性。

3）動態穩定性

圖4 不同電壓下短時間內的電壓波動曲線（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 不同電壓時大突變負載下的電壓曲線Fig.5 Curve of the voltage under a large load's mutation on the condition of different voltage

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

4）能量轉換效率

取輸入電壓分別為9 V、10 V、11 V、12 V、14 V、16 V與18 V，對電壓轉換電路的能量轉換效率進測試。圖6所示為不同輸入電壓下的能量轉換效率，從中可以看出電壓轉換電路的能量轉換效率隨著輸入電壓的升高而降低。輸入電壓為9 V時，電壓轉換電路具有最高的能量轉換效率，可達97.4％；而當輸入電壓為18 V時，電壓轉換電路具有最低的能量轉換效率，為96.9％。整體而言，各個不同輸入電壓的能量轉換效率都達到了96％以上，在整個輸入電壓波動的范圍內，電壓轉換電路都具有很高的能量轉換效率。

4 實驗測試

將開關穩壓電源與CCD相機PL50100相連，室溫為23.5 ℃的條件下，對LTC3780開關穩壓電源電壓轉換電路進行測試，PCB電路板如圖7所示。輸入16 V時，實際輸出電壓為11.84 V。輸出電流4.4 A時，紋波電壓≤42 mV。CCD相機曝光時，實際輸出電壓為11.51 V。在沒用加裝散熱片的情況下，不曝光時，電源周圍環境溫度為55.3 ℃；頻繁曝光時，電源周圍環境溫度為61.7 ℃。

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

圖7 LTC3780開關穩壓電源電壓轉換電路PCB電路板Fig.7 PCB board of the Voltage conversion circuit for the switching power supply based on LCT3780

5 結束語

通過對該開關穩壓電源轉換模塊進行電壓轉換能力與應對突變大負載能力的仿真，實現了穩定的電壓輸出和較強的應對大負載突變能力，并且具有較高的能量轉換效率，獲得較為理想的仿真結果。在實際測試中，散熱是一個急待解決的問題。由于測試時間較短，元器件發熱而造成周圍環境溫度的上升并沒有對電路的正常工作產生明顯的影響，但在實際應用中，電路發熱的問題將會變得很突出，有待進一步的解決。

[1] 何希才.穩壓電源電路的設計與應用[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2] 候雨石，陳永飛，何玉青，等.數碼相機原理與系統設計研究[J].光學技術，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，2009.

[4] 梁宜勇.數碼相機的能耗及其適配電源特性的研究[J].照相機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設計要點[M].LINEAR公司，2005.

[6] 王賦攀，楊鵬.MOSFET功率開關器件的散熱計算[J].通信電源技術，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，FU 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：201309117

中央高校基本科研業務費（ZXH2012C008）

于之靖（1963—），男，河北滄州人，博士，教授。研究方向：自動化測試技術、光纖傳感技術和計算機視覺測量。