CCD相机的BUCK-BOOST型稳压电源设计

于之靖，付 博，诸葛晶昌

（中国民航大学 航空自动化学院，天津 300300）

CCD相机的BUCK-BOOST型稳压电源设计

于之靖，付 博，诸葛晶昌

（中国民航大学 航空自动化学院，天津 300300）

根据CCD工作过程及其耗能特点，应用BUCK-BOOST开关稳压控制器LCT3780控制的级联式双向BUCK-BOOST电路，设计了一款针对CCD相机的高性能稳压电源。利用LTspice仿真软件对开关稳压电路进行了仿真，主要对不同输入电压时的输出电压和有大突变负载时的稳压能力进行了仿真，并通过实验进行了测试。

CCD；BUCK-BOOST；大突变负载；仿真

CCD相机与传统相机相比在工作机理与耗能特点上有很大的不同 ，尤其是其核心部件CCD有着自身的耗能特点。而CCD相机的能量几乎全部由电源提供，电源的质量与能量转换效率对CCD相机的工作有着很重要的影响。

与线性稳压电源相比开关稳压电源功耗小、稳压范围宽、体积小、重量轻以及安全可靠[1]。级联式双向BUCK-BOOST电路具有损耗功率小，发热少，能量转换效率高等优点，是一种优良的DC-DC变换电路的解决方案。

本文对基于BUCK-BOOST开关稳压控制器LTC3780的级联式双向BUCK-BOOST电路进行了仿真，并对其进行了实验验证。

1 CCD相机的能耗特性

在CCD相机的结构构成中，最核心的部分是光电传感器（CCD），CCD相机实际上就是利用光电转换器，将光信息转换成电信息，再进行专门的处理并存储，完成对图像信息的获取[2]。在CCD工作过程中，CCD的功耗由两部分组成，分别是静态功耗与动态功耗。静态功耗是由CCD工作过程中CCD末端放大电路对信息电荷进行测量时，放大器所消耗的功耗。动态功耗则包括脉冲电压对像元内部电容进行充放电时电流流过多晶硅电阻及外延层电阻产生的功耗以及信号电荷转移过程中克服晶格原子作用力做功产生的功耗。这三类功耗都与金属极上所加脉冲电压频率密切相关。各动态功耗与时钟频率成正比例关系（假定转移电子数为105），时钟频率越高，动态功耗越大[3]。

设CCD工作过程中的总功耗为W，静态功耗为W1，动态功耗为W2。则：

由于光电转换是在非常短的时间内完成的，这就说明CCD将在瞬间产生极大的功耗。由于：

所以CCD的功率PCCD的值将会很大。根据能量守恒定律，有：

（3）式中，PS代表电源供电功率，U代表CCD的工作电压，I代表CCD的工作电流。由（3）式可知，当U的值基本不变时，I的值会急剧增大。同时也说明，U必须足够的稳定，才能保证CCD的正常工作。

为了直观获取CCD相机工作时的功耗，以FLI公司出产的PL50100为例，给定其一系列指令，对这些指令所对应的相机动作进行功耗测试，得到如表1的数据。由表1 可以看出，在CCD相机一系列典型动作过程中，电流变化幅度较大，且是一种不连续的形式。电流变化最剧烈处发生在闪光充电期以及图像存储过程，它所对应的即是CCD的工作过程。

表1 一组CCD相机动作所对应的电流及持续时间Tab.1 Current and its duration caused by a series of CCD camera action

电流的不连续性导致了CCD相机在每一个不同的工作时段从电源吸收的功率变化很大。在这种电流不连续的持续期间，尤其是在曝光与图像存储时，将会产生瞬间的大电流，电源必须提供足够的功率，否则极易使相机因为功率不足而出现保护性动作，这就对电源电压的稳定性提出了很高的要求[4]。

2 BUCK-BOOST型DC/DC电路设计

LTC3780是一款高性能的升压/降压电路开关控制器（BUCK-BOOST电路开关控制器）。它采用的是一种恒定频率电流模式架构，它提供一个200 kHz至400 kHz的固定频率，具有4～36V的宽输入和宽输出电压，并在该范围能够实现升压（boost）、降压（buck）和升压/降压（buck-boost）模式之间的无缝切换。它非常适用于自动化、通信以及蓄电池供电系统[5]。

2.1 LTC3780的工作原理

LTC3780所控制的BUCK-BOOST电路原理图如图1示，其各工作模式的原理为：

1）当VIN＜VOUT时，LTC3780工作在升压模式。开关A始终接通，开关B则始终断开。每个周期中开关C首先接通，通过A和C对电感L进行充电，当L的感生电压超过基准电压时，C关断，D导通，电感释放能量实现升压。当L的感生电压低于基准电压时，D关断，C导通，一个周期结束。在这个周期内，电压的平均值即为输出电压VOUT。

图1 BUCK-BOOST电路Fig.1 BUCK-BOOST circuit

2）当VIN＞VOUT时，LTC3780工作在降压模式。开关D始终接通，开关C则始终断开。每个周期中开关B首先接通，电感释放能量实现降压，当L的感生电压低于基准电压时，B关断，A导通，通过A和D对电感L进行充电。当L的感生电压超过基准电压时，B导通，A关断，一个周期结束。在这个周期内，电压的平均值即为输出电压VOUT。

3）当VIN接近VOUT时，LTC3780工作在升压/降压模式。开关A和C与开关B和D两组开关交替导通，到最后转变成只有开关A和D导通时，一个周期结束。在这个周期内，L感生电压的平均值即为输出电压VOUT。

2.2 LTC3780的应用电路设计

采用LTC3780实现电压转换的输出电压的指标为12 V，最大输出电流为8.4 A，蓄电池供电电压为9～12 V。电压转换电路各元器件的选择则是由输入输出电压与负载要求决定的[5]。LTC3780开关稳压电源电压转换电路如图2所示。

图2 LTC3780开关稳压电源电压转换电路Fig.2 Voltage conversion circuit of the switching power supply based on LCT3780

主要电路元器件参数设计：

1）工作频率的设定

LTC3780可提供一个200 kHz至400 kHz的固定工作频率，较高的工作频率会使MOSFET工作过程中产生较大的能量损失，导致转换效率降低，所以一般情况下可使LTC3780工作于最低频率，即f=200 kHz。

2）电感值的计算

电感值的选择和工作频率的选择相互影响，电感值的选取对纹波电流有着直接的影响，电感的纹波电流一般被设定为升压模式最大电感电流的20％至40％，电感值的计算公式如下：

式中f是工作频率；VIN（MIN）是最小输入电压；VIN（MAX）是最大输入电压；VOUT是设定的输出电压；IOUT（MAX）是设定的最大输出负载电流；n是允许的电感器纹波电流百分比，一般取30％。

电感应能同时满足升压和降压工作模式，因此电感值应取计算中的较大值。为了保证电压转换的平稳性与快速性，实际取值应更大些。

3）检测电阻值的计算

检测电阻值是根据负载电流值来确定的。升压模式下的电阻值可由下式计算：

降压模式下的电阻值可由下式计算：

ΔIL是升压模式下的电感纹波电流，可由下式计算：

最后所选取的电阻值应比根据（6）与（7）式计算而得的值小20％至30％为宜。

4）输入电容与输出电容的选择

为了提高输入和输出电压的电压特性，减小输入电压的不连续性以及输出电压的纹波对整个电压转换模块的影响，需要选择低串联阻抗的输入和输出滤波电容，也可用多个电容并联。

5）MOSFET的选择

MOSFET在电压转换过程中，是主要的耗能元件。MOSFET的导通损耗和开关损耗是转换过程中的主要损耗来源，导通损耗由MOSFET的通态电阻决定，而MOSFET的反向转换电容参数指标则是开关损耗的主要因素。选取具有良好性能参数的MOSFET，可以提高电压转换模块的能量转换效率。

6）分压电阻的确定

输出电压是由外部两个串联电阻的分压决定，可由下式计算：

R1通常选择20 kΩ，R2则可由式（9）确定。

3 电路仿真与分析

采用LTspice软件对LTC3780开关稳压电源电压转换电路在不同条件下进行仿真。

1）稳态误差

稳态误差是指系统稳定运行时输出响应期望的理论值与实际值之差。LTC3780开关稳压电源电压转换电路通常工作在两种工作模式下：升压模式与降压模式。设定转换电路分别工作在输入电压为10 V与16 V，额定负载电流为4.4 A的情况下。

图3 不同电压下的输出电压—时间曲线Fig.3 Curve of the output voltage and the time under different voltage

图3（a）与图3（b）所显示的分别是输入电压为10 V与16 V情况下的输出电压随时间变化曲线，其输出响应值达到稳态后分别为11.963 V与11.967 V，误差率分别为0.31％与0.27％。可见，当负载电流为额定值4.4 A时，转换电路在升压模式与降压模式下都具有良好的稳压能力。

2）短期稳定性与纹波电压

图4（a）与图4（b）给出了输入电压分别为10 V与16 V时，短时间内（4.59～4.69 ms）电压的波动曲线。从图中可以看出，无论电路处于升压模式还是降压模式，电路的纹波电压都可维持在8 mV至9 mV。而在4.59～4.69 ms的时间范围内，无论升压模式还是降压模式，电压的最大波动值都小于25.9 mV，具有良好的短期稳定性。

3）动态稳定性

图4 不同电压下短时间内的电压波动曲线（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）

图5 不同电压时大突变负载下的电压曲线Fig.5 Curve of the voltage under a large load's mutation on the condition of different voltage

CCD相机的耗能的最大特点是工作电流的不连续，变化最剧烈的阶段是在曝光与图像存储过程，是对电压转换电路的稳定性要求最苛刻的一个时间段。根据这个特性，用脉冲电流负载模拟曝光时的突变大电流，验证电压转换电路输出电压的稳定性。以PL50100为例，不曝光的工作电流为I1=4.4 A，曝光时叠加持续时间为4 ms的I2=4 A电流脉冲。图5（a）与图5（b）显示的是有大的负载电流突变时，输入电压分别是为10 V与16 V时的输出电压随时间变化曲线。从图中可以看出大的突变负载电流到来时，输出电压瞬间将产生一定的下降，在升压与降压两种模式下，分别下减至11.67 V与11.69 V；经过2.6 ms后，输出电压恢复至稳定值，为11.87V。对比负载突变前后，升压与降压两种模式的输出电压调整率分别为0.78％与0.81％。由此可见，电压转换电具有良好的应对大突变负载的能力。

4）能量转换效率

取输入电压分别为9 V、10 V、11 V、12 V、14 V、16 V与18 V，对电压转换电路的能量转换效率进测试。图6所示为不同输入电压下的能量转换效率，从中可以看出电压转换电路的能量转换效率随着输入电压的升高而降低。输入电压为9 V时，电压转换电路具有最高的能量转换效率，可达97.4％；而当输入电压为18 V时，电压转换电路具有最低的能量转换效率，为96.9％。整体而言，各个不同输入电压的能量转换效率都达到了96％以上，在整个输入电压波动的范围内，电压转换电路都具有很高的能量转换效率。

4 实验测试

将开关稳压电源与CCD相机PL50100相连，室温为23.5 ℃的条件下，对LTC3780开关稳压电源电压转换电路进行测试，PCB电路板如图7所示。输入16 V时，实际输出电压为11.84 V。输出电流4.4 A时，纹波电压≤42 mV。CCD相机曝光时，实际输出电压为11.51 V。在没用加装散热片的情况下，不曝光时，电源周围环境温度为55.3 ℃；频繁曝光时，电源周围环境温度为61.7 ℃。

图6 不同输入电压下的能量转换效率Fig.6 Power efficiency under different input voltage

图7 LTC3780开关稳压电源电压转换电路PCB电路板Fig.7 PCB board of the Voltage conversion circuit for the switching power supply based on LCT3780

5 结束语

通过对该开关稳压电源转换模块进行电压转换能力与应对突变大负载能力的仿真，实现了稳定的电压输出和较强的应对大负载突变能力，并且具有较高的能量转换效率，获得较为理想的仿真结果。在实际测试中，散热是一个急待解决的问题。由于测试时间较短，元器件发热而造成周围环境温度的上升并没有对电路的正常工作产生明显的影响，但在实际应用中，电路发热的问题将会变得很突出，有待进一步的解决。

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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 稿件编号：201309117

中央高校基本科研业务费（ZXH2012C008）

于之靖（1963—），男，河北沧州人，博士，教授。研究方向：自动化测试技术、光纤传感技术和计算机视觉测量。