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数字相机架构与电源探讨

时间:2003-08-01 00:00来源:compotechasia.com 作者:admin 点击:
2003年全球数字相机(Digital Still Camera)市场据MIC预估将达3300万台,年成长率为18%;在全球经济不景气下,更显得一枝独秀。全球DSC市场品牌以日系厂商为领导地位,占全球80%的比重;目前台湾的订单以日商、美商及通路商ODM/OEM代工为主,今年预估产量达1078万台,全球产量市占率在3成以上。
   数字相机为一个复杂的系统,需有光学技术,影像处理技术及系统外围设计的能力相配合,才能将影像忠实呈现。数字相机的电源需求,因其复杂的系统,而需要7~8组独立的电源。对使用电池作输入电源,如何在有限的电池容量下达到较长的操作时间及较多的可拍张数,便是电源管理的挑战。

数字相机影像处理流程〔1〕
数字相机中主要组件物料包括光学镜头、光感测组件(CCD/CMOS)、芯片组(Backend IC)、记忆卡、LCD屏幕、传输接口、闪光灯及电源管理等,如图1所示。
光学镜头功用在于将影像聚焦于感测组件CCD/CMOS上,经过芯片组的控制自动对焦、光圈、闪光灯、曝光后,经由光感测组件上的感光二极管将光波转换成模拟讯号,经由ADC(Analog to Digital Converter)转换为数字讯号送至芯片组DSP(Digital Signal Processor)中。由于光感测组件是将可见光滤为RGB三种颜色的讯号,需采用彩色滤镜数组内插(Color Filter Array Interpolation),将RGB三原色还原成二维平面数字讯号,DSP依据各家特有的算法再将数字讯号转成影像。最后将影像传送至LCD屏幕上,或储存至快闪记忆卡中如Memory Stick、Secure Digital Card等。
1.光学镜头(Lens)及Motor Driver
    数字相机用镜头可分为定焦与变焦镜头两种,其中定焦镜头主要应用于中、低阶DSC及Dual Mode的PC Camera上,材质为塑料与玻璃的复合材料,易大量制造成本较低;但透光性与稳定性不及玻璃。中高阶机种则多采用二至三倍变焦镜头,材质以光学玻璃为主,光学特性较佳。领导的厂商为Olympus、Ricoh、Zeiss与Leica;日商Canon、Olympus、Fujifilm和Nikon则采用自家的镜头,Sony则与Zeiss配合。国内制造商则有亚光与大立光电等。
在光学镜头执行曝光中,通常需要二至四组马达来执行自动对焦(Auto Focus)、光圈(Auto Iris)、自动曝光(Auto Exposure)的快门及镜头变焦(Zoom)。其中电子快门使用在低阶DSC,而高阶机种对影像需求较高则多采用机械快门;至于光圈和变焦马达也需视画素需求而是否采用。为驱动这些马达通常会使用全桥式马达驱动器,来执行正反转。其所需电源只要提供一稳定之电源给马达驱动器即可,电压视马达不同而在3V至5V之间,所需电流可达400mA持续几Millisecond时间。

2.光感测组件
    影像感测组件〔2〕是数字相机影像品质最重要的关键组件,有CCD (Charge Coupled Device)与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)两类。其中CCD影像品质较佳,具有低噪声,对光有高灵敏度与高动态范围的特性,但成本较高,目前多应用在高阶DSC(2MP以上)上。CMOS Sensor具备省电、系统整合度高的优点,在PC Camera、Toy DSC产品中都采用CMOS Sensor。
 CCD Sensor 
    CCD Sensor是以感光二极管组合而成,可将光波转换成电子。接收到的电子会与光的强度成正比,并将电子同步传送至两旁的充电电容单元中。在读取时,则将数据移至电荷暂存电容,透过电荷/电压转换器和晶体放大器,将每列数据依序读取出来。上述CCD〔3〕的架构为Interline Transfer,允许数据读取时可同时撷取下一张影像,因为需要电荷暂存区的空间,所以影像分辨率较低,其架构如图3所示。另一架构为Full-frame CCD,其镜头电荷电容与电荷暂存电容共享,所以在曝光控制时需使用机械式快门,将影像数据读取出来后,才能进行下一次的影像撷取、曝光。其拥有较大的电荷容量及较小的噪声传递,而呈现较佳的影像分辨率。传统CCD为矩阵式排列,但此作法却限制了在有效面积中提升分辨率的能力。Fujifilm〔4〕则采用独家的Super CCD技术,将Photo Diode旋转45度如图4所示,而呈蜂巢式排列使感光部分增加。如此Super CCD的S/N比增加为矩形排列的2倍,使颜色再现能力增加。
    目前CCD Sensor外部仍需搭配垂直驱动器(Vertical Driver)、定时产生器(Timing Generator)、模拟数字转换器ADC(Analog to Digital Converter)等组件、技术及成本较高。一般所需电源为15V/20mA与-7.5V/20mA作为Output Amplifier的VDD及Vertical Clocks的电源,工作电压范围会因厂商制程而有所不同。
CMOS Sensor
    CMOS Sensor是透过感光二极管制成,利用光激发电子与电洞而产生电流。光线会透过每个CMOS画素上的RGB彩色滤光片至感光二极管,产生的电流会经过每个画素上的晶体管放大,当受光强度愈大时,则会产生不同强弱的电压讯号。讯号再经ADC转为数字讯号,送至影像处理IC中。CMOS Sensor 〔5〕结构图如图5所示,其中每个画素的摆置格式如图6所示,采RGB间隔排列。由于CMOS制程与一般数字逻辑相近,所以成本较低,ADC与Amplifier 是内建在CMOS Sensor中,而不需外加电路,控制相对简单。其工作电压1/2 inch为3.3V,1/4 inch则为2.5V,耗电流在60~100mA间;相对于CCD Sensor省电。
3.芯片组(Backend IC)
    在DSC中依照负责的功能,可分成前段影像传感器与后段(Backend IC)影像处理。Backend IC依功能不同,分为影像处理单元与周边控制单元。包括DSP、MCU、JPEG处理器、USB或TV接口、内存存取控制及输出入控制。影像处理主要是依据算法,利用DSP产生影像及处理亮点补偿、影像编辑、数据压缩储存与解压缩运算。周边控制单元,主要控制I/O外围装置, 如控制影像传感器、影像输出入及控制储存内存等。
    随着IC制程的演进,核心工作电压(Core Voltage)已降至1.8V或1.5V,I/O及Memory控制则为3.3V;电压未来都有往下降的趋势。

4.LCD屏幕
    目前数字相机上所使用的小尺寸显示器屏幕,尺寸在1.5至1.8吋。主要以非晶硅(a-Site TFT LCD)、低温多晶硅(LTPS TFT LCD)及Epson TFD  LCD为主。采用低温多晶硅的LCD 面板在尺寸、分辨率与反应速度上都优于非晶硅LCD;但目前制程较复杂、良率较低,所以目前量产以采用非晶硅LCD为主。由于LCD不会自发光,所以需有背光光源。在大尺寸LCD上传统采用CCFL冷阴极管作光源;在小尺寸LCD上则采用白光二极管(White LED)。依LCD尺寸大小需2~3颗WLED,WLED只需提供定电流约20mA即可驱动。在TFT LCD方面要提供源极驱动器IC 的源极电压5Vs与门极电压15Vgh、-8Vgl等,因一般采用Vcom调变方式,所以Vcom为5V。
    近来OLED的技术成熟,已有Kodak推出全球第一台采用OLED的DSC。OLED具有自发光的特性,拥有高色彩饱和度、反应时间快速与广视角等优点,但目前有寿命较短及低良率等缺点仍待改进,是未来显示器的明日之星。
5.内存
    数字相机使用快闪记忆卡Flash Card,来储存拍照的影像。目前储存的规格主要有Compact Flash Card (CFC) 、Multi-Media Card (MMC)、Smart Media Card (SMC)、Security Digital Card (SD)、Memory Stick (MS)等。而内建的内存主要有SDRAM与Flash Memory两种,内建Flash Memory主要储存嵌入式系统、驱动程序与使用者接口,统称为韧体(Firmware)。SDRAM是提供Backend IC 影像运算、压缩的暂存区。目前这些储存媒体工作电压大都在3.3V与I/O电压相同,未来则有往下降之趋势;其耗电流为动态性负载,亦即作数据传输时才会耗电。

设计实例
    目前数字相机以数素来区分可分为低阶1M Pixels以下、中低阶1~2M Pixels、中高阶3~4M Pixels与高阶4M Pixels以上机种。若以输入电源电池来看则有单颗碱性电池、二颗碱性、四颗碱性与单颗锂离子电池。采用单颗碱性电池的主要是Toy/Dual Mode 机种,Dual Mode与PC连接时则会使用USB电源。二颗碱性电池与单颗锂离子电池是目前主流机种所采用的,四颗碱性电池则多用于专业机种上。由于不同的电池电源,使用的电源转换器架构亦不同。底下将介绍使用二颗碱性电池的CCD 数字相机电源设计实例,以立锜科技所推出的升压型转换器RT9266〔6〕来达成。
    RT9266是Current Mode PWM/PFM 升压型转换器,具有SOT23-6的封装与1V启动电压等特性。针对二颗碱性电池的输入电压范围为1.8V至3.0V,消费者可使用可充式镍氢电池或符合2颗AA电池合并大小的CR-V3可充电锂电池。图7为RT9266使用二颗电池的CCD 数字相机电源评估板,提供Backend IC、I/O、CCD Sensor、TFT LCD,Back Light 及Motor Driver的整体电源。
1.I/O与Motor Driver电源
对于I/O与Motor Driver电源采用升压型架构,所以一并介绍。其为RT9266典型电路的应用,所以经由 RT9266升压型架构,便可将电池电源升压至3.3V。由于采用Current Mode 控制方式,故可以得到很好的Line Regulation、Load Regulation与Transient Response。
 
2.芯片组Vcore 电源
针对Vcore 1.8V电源,电池会因闪光灯等大电流负载,造成输入电压会瞬间骤降,故采用可升降压的SEPIC架构。其输出电压为 ,电路如图9所示。
3.CCD Sensor 电源
对于CCD Sensor与TFT LCD电源需正负压电源,一般可用Flyback Converter与Charge Pump。 以本例而言,15V与-7.5V恰为7.5V的倍数,采用Charge Pump是较合适的。其电路如图10所示,先将电压升至7.7V,经负压Charge Pump产生-7.5V与倍压Charge Pump产生15V。

4.TFT LCD 电源
Flyback Converter具有多组输出、Shutdown时输入端与负载隔离的优点;但缺点是变压器体积较大。以本例15V/15mA与-10V/15mA,变压器可由下式计算。
  (N=NS/NP,取DMAX =0.5、VD=0.3、VRDS(ON)=0.2)
      得N=9.5,取N=10 (15V Output)
      (取DMAX =0.5,ΔIL= IPEAK/2)
      得ΔIL=333mA
      =5.3uH
5.WLED背光电源
目前小尺寸面板都使用白光LED当背光源,LED连接的方式有串联与并联两种。串联因驱动电流一致,使亮度较均匀;而并联电路较简单,只需提供一定电压源,再以电阻限流即可。RT9269具有低回授电压,可减少回授电阻的损失,如图12所示。一般调光的方式,可由MCU调整PWM的Duty Cycle至CE Pin来调整亮度,如图13(a)所示。由于采On/Off控制方式 ,输入端脉波电流会较大。另一方式可调整FB的电压来控制驱动电流,如图13(b)所示,其缺点是低电流时色彩演色性较差。
结论
以上所介绍的是两颗碱性电池的解决方案,至于使用锂电池或Dual Mode机种,电源架构又会有所不同。另外如闪光灯电源、锂电池充电器与电量检测亦是电源管理的范畴,配合省电模式的设计,将对电池的操作时间有所助益。数字相机目前已走向多样化市场,如强调防水功能或轻薄短小的寿司机,不限时间的动态摄影与DV间的区隔已渐模糊。轻薄化、功能强化的背后,亦需电源管理的支持。
(责任编辑:admin)
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