CN1956502A - 高分辨率机载遥感ccd相机的小型低功耗电源构建方法 - Google Patents
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Abstract
一种高分辨率机载遥感CCD相机的小型低功耗电源构建方法，其步骤包括：1.确定所需模拟数字电源的种类，并分别计算其功率大小和确定纹波及噪声要求；2.优先选择线性稳压器；3.根据负载电流和输入输出电压，合理选择线性稳压电源，不同的封装散热能力不同；4.在不能使用线性稳压电源的情况下，使用开关式集成稳压电源，但要选择合理的类型；5.采用组合方式或者后置LC滤波器来改善开关式稳压电源的噪声和纹波；6.PCB布线时选择良好的接地方案，合理布置开关电源的***器件，尽量减小电流环路面积；7.注意散热问题。采用本发明方法设计的电源板体积小，效率高，纹波及噪声系数小，方案灵活，为实现小型化，低功耗、携带、安装方便的轻型机载遥感仪器提供了可能。
Description
技术领域
本发明涉及一种机载遥感CCD相机的低功耗、高效率、小体积、高品质电源构建方法，特别是一种用于CCD相机遥感探测***的简单、通用的电源方案制定方法。
背景技术
在信息技术发展日新月异的今天，机载遥感仪器向着小型化、低功耗、高灵敏度、大动态范围、高分辨率等方向发展。其中小型化、低功耗是机载遥感***的主要指标之一，高灵敏度、高分辨率则是小型低功耗遥感***的主要目标。电荷耦合器件(CCD)是遥感仪器广泛应用的图像传感器。CCD以电荷包的形式，通过电极间形成势阱进行存贮及转移，其信号的读取需要多路外部驱动脉冲，因而需要至少3路以上电源来满足特殊时钟驱动的需要。同时，因为CCD图像传感器输出信号是模拟信号，极易受到电源纹波噪声和驱动脉冲质量的影响。CCD信号需要进行AD转换，将模拟信号转换为数字信号，因而也需要为后续的数据处理和采集电路提供稳定可靠的电源。总之，为了提高机载遥感仪器图像的信噪比，首先要给CCD提供低纹波、高效率、稳定、散热良好的电源，高品质的电源乃是提高遥感CCD相机灵敏度、分辨率的前提和保障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单通用、小型化、低功耗、高品质的机载遥感CCD相机供电电源构建方法。CCD包括线阵和面阵，其中线阵CCD供电电源一般比较简单；面阵CCD包括帧转移(Frame-Transfer)型、行间转移(Interline)型和整帧(Full-Frame)型几种类型。面阵CCD相机一般需要读出、垂直驱动、水平驱动、复位等时钟脉冲，产生这些脉冲需要施加不同的电压。同时输出晶体管放大器、复位晶体管放大器以及衬底都需要一定的偏置电压来使CCD正常工作。再加上要将CCD输出的模拟信号变为数字信号所需要的信号调理、放大、滤波、AD变换以及后续的数据采集电路也需要几种不同电源。总之需要多达十种不同输出的电源来给面阵CCD供电。所以CCD相机的电源部分在小型化、低功耗遥感***中是至关重要的，其直接影响CCD相机的体积、重量、图像质量和功耗等。选用合理的电源结构，是CCD相机驱动电路设计必不可少的重要一环。
由于机载遥感用CCD相机特殊的安装要求，只能提供28～32V范围内的直流电源作为CCD相机的总电源。然后对这个电源进行变换，得到需要的各种不同的电源电压。
本发明的技术方案如下：
CCD相机驱动电路需要将近或者超过10种的电源电压，种类比较多，将各种电源集中制作和调试，或者制作专用电源印刷板是很有必要的。尤其是随着电源IC(Integrated Circuit，集成电路)种类不断增多和集成度不断提高，使得制定小体积、高效率、灵活的电源方案成为可能。
集成DC/DC电源的种类繁多，根据不同的工作原理，可以分为线性稳压电源、集成开关稳压电源以及充电泵式(Charge Bump)的稳压器。线性稳压电源是使用最普遍的集成IC稳压电源，根据工作时输入输出最小电压差的大小可以分为标准线性稳压器(输入输出压差在1.5V和2.5V之间)，准LDO(Low-dropout)稳压器(输入输出压差在1V和2V之间)和LDO稳压器(输入输出压差＜1V)。线性稳压电源的输入和输出压差越小，其效率越高，发热量越小。线性稳压电源最重要的特征是输出电压的纹波噪声都非常小，且只需要输入输出电容等简单的***器件，成本低，体积小，工作可靠。但是为了保证其内部反馈环路的稳定，输出电容的大小和其ESR(Equivalent Series Resistance，等效串联电阻)必须满足一定的范围。
集成开关稳压电源根据输入输出电源高低可以分为升压式(Boost DC/DCSwitching Converter)、降压式(Buck DC/DC Switching Converter)、混合式(即可升压也可降压，Buck-Boost Switching Converter)、反向式(Inverting SwitchingConverter)以及反激式(Flyback Switching Converter)等几种。通过选用不同的开关电源可以灵活实现不同电压的变换。开关式集成稳压电源最大的特点是效率高、使用灵活。其缺点是***电路相对比较复杂，成本较高，设计周期长。为保证反馈环路的稳定工作对输入输出电容的值和ESR以及***的电感值等都有一定的要求。而且其纹波和噪声系数较大，在对电源要求较高的场合需要进一步处理来降低其纹波和噪声。
充电泵式集成稳压电源由于其输出电流较小，且输出电压不够灵活，这里不做详细介绍。
制定CCD相机的电源方案，关键在于选择合适的集成稳压电源，并正确配置其***电路，最终达到稳定可靠、纹波和噪声小、效率高的电源输出。
用本发明方法进行构建电源的步骤如下：
1、确定CCD相机需要哪几种电源，哪些是模拟电源，哪些是数字电源，以及计算各种电源需要的功率大小以及确定纹波和噪声要求；
2、研究选择线性稳压器的可能性，优先选择线性稳压器，关键之处在于给定的输入输出电压差和负载电流的情况下，线性稳压器是否可以耐受和发散所产生的热量；
3、根据所需要的负载电流和输入、输出电压的限制，选定合适的线性稳压电源，不同的线性稳压电源纹波和噪声不同，不同封装的热阻和散热能力也不同；
4、在不能用线性稳压电源来实现的情况下，考察使用开关式集成稳压电源来提高电源的效率，由于开关稳压电源种类繁多，包括同步或者异步，隔离或者非隔离，电流反馈或者电压反馈型等；根据需要仔细选择，还可以借助模拟软件进行选择比较；
5、为了提高电源输出的质量，可以采取组合方式来进一步降低纹波和噪声，在开关式稳压集成电源后面加一级线性稳压电源可显著改善噪声和纹波，而且效率还比较高，或者通过添加后置LC滤波器来改善纹波水平，但是与其中选择的电容ESR值有关；
6、PCB布线与电源的纹波和噪声息息相关，首先要正确布置开关电源的***器件，选用合理的接地方案，尽量减小电流环路的面积；
7、CCD相机的电源板上电源IC集中分布，散热设计非常重要，可以采用敷铜板或者别的散热方式进行散热。
本发明的优点是简单通用，适用于机载遥感CCD相机，尤其是面阵CCD相机，需要多种电源供电的场合。该方法设计的电源板体积小，效率高、纹波和噪声系数小、方案灵活，从而使得本来占CCD相机驱动电路很大部分的电源体积大大减小，为实现小型化、低功耗、携带安装使用方便的轻型机载遥感仪器提供了可能。
附图说明
图1为本发明CCD相机模拟部分电源方案示意图。
图2为本发明CCD相机数字部分电源方案示意图。
图3为本发明电源IC芯片的Tab和Exposed Pad安装示意图。
图4为本发明实施例CCD47-20电源板实物图。
具体实施方式
下面结合图1～图4对本发明的具体实施方式作详细阐述，以高灵敏度CCD相机——E2V公司的CCD47-20为例说明，在这里提出一种可行方案，但并不是唯一方案，只是为了具体说明CCD电源方案的制定方法。
给机载仪器提供的28V DC电源经过滤波后就可以给CCD相机供电了。CCD47-20相机是帧转移型(Frame-Transfer)的三相CCD，需要给成像区、存储区、输出寄存器以及复位信号分别提供时钟脉冲。为了保证电荷转移势阱的建立，其驱动信号的电平不能由逻辑电平驱动。这些脉冲首先由FPGA产生，然后采用专门的驱动芯片对控制信号进行电流放大及电平调制。可以采用高性能的时钟信号调制驱动芯片(即Pin驱动器)提高驱动电容负载能力，变换为指定电压的时钟信号传给CCD。需要分别给成像区、存储区、输出寄存器以及复位信号提供+15V，+15V，+10V，+12V的电源。另外输出寄存器时钟的低电平为+1V而非0V，所以要专门的电源给其供电。还要为后续的AD转换器提供+5V的电源电压。这些电源都是为时钟信号供电的，将其划分为数字电源。
CCD衬底需要+9.5V的直流模拟电源，输出门和输出晶体管源极分别需要+3V和+29V的偏置电压，复位晶体管源极为+17V的偏置电压。CCD信号调理和放大电路选用+15V和-15V供电的双电源运算放大器实现。所以共需要6种模拟电源。为了提高CCD输出模拟信号的质量，要求模拟电源的纹波和噪声小，输出稳定，散热少，工作可靠。
CCD是容性负载，要求电源具有大容性负载下功率输出能力。根据CCD47-20的数据手册，利用公式
来计算时钟脉冲信号所需要的驱动能力，并考虑余量。其中U(数据手册提供)为各种时钟脉冲信号高电平和低电平之差，dt(数据手册提供)为时钟脉冲信号由低电平到高电平的转换时间(上升沿)，C(根据数据手册提供内容计算得到)为各种时钟脉冲的等效电容，因为CCD47-20为三相CCD，每相的负载电容包括本相与其他两相之间的电容以及本相与衬底之间的电容，且为此三个电容并联，而且因为CCD三相的时钟脉冲不可能同时翻转，只要考虑其中一相的负载能力即可。
下面结合图1来说明各种电源方案的制定过程。成像区和存储区分别需要+15V电源，计算其需要的电流驱动能力约为0.35A，并考虑安全余量，首先考虑使用线性稳压电源，线性稳压电源的功耗为：
Ploss＝[(Vin-Vout)×Iout]+Pic，
其中，Pic＝Vin×Ignd(Ignd亦为Isupply或IQ静态电流，相对前项较小可以忽略)。
如果由28V左右的供电电源直接变换到+15V，则线性稳压器的功耗很大，效率极低，而一般的工业封装最多能提供2W的散热能力，否则就要加散热装置或者导致超过线性稳压器的结点温度而使其工作失常。所以选用效率高的开关稳压电源LM2672提高效率，降低损耗。但是开关电源的输出电压纹波和噪声大，不能满足高灵敏度CCD相机对电源的要求，采用组合式电源，利用线性稳压电源纹波和噪声低的特点，先将电源变换到+16V，再使用低噪声线性稳压电源LT1963，变换到+15V给CCD供电。
同理，选择LM2676先将28V电源变换到+12V，然后用LT1963再变换为+10V给CCD的输出寄存器时钟脉冲供电。再利用LM2676将+12V变换为+5V为后续的AD转换、数据处理电路供电。同时为了降低+5V电源的噪声和纹波，可以用后置LC滤波器来滤除。
由于输出复位脉冲引脚与衬底之间的负载电容很小，仅为10pf，需要的驱动电流很小，仅为几个mA，功耗小，可以用线性稳压电源直接将28V电源变换成+12V给复位脉冲引脚供电，选用LT1129或者LT1121来实现。
+17V电源只需要给CCD左右侧两个放大器的复位晶体管漏极供电，需要提供的功率很小，可以直接使用线性稳压电源来实现，比如LT1129和LT1121。由于+9.5V和+3V电源都仅仅提供静态电源且功率很小，选用低噪声的LDOLT1963A通过级连方式分别实现。
+29V电压大于能给机载仪器提供的电压，需要使用升压式的开关稳压电源来实现。先使用线性稳压电源将输入的+28V电压变换为+15V(可以选用LT1129实现，下面的-15V电源也要用到)，再选用SC4501升压开关电源变换为+29V。可以使用LC后置滤波器进一步降低纹波和噪声，其中的电容C的等效串联电阻ESR值直接影响LC滤波器输出纹波，其关系为
其中Vripple为所需要的输出纹波电压，ΔIL为电感器L的纹波电流。ESR越小，越能得到小的纹波电压输出。可以选用多个电容并联来降低ESR。
运放需要-15V模拟电源，选用反相的开关稳压电源来实现。由于反相开关电源的最大输入和输出电压差，即Vin-Vout的最大值受限制，且输入电压越高，效率越低，所以尽量降低其输入电压的值。如果由上面LT1963A提供的+3V电源直接给反相开关电源供电，则因为这些电源级连，而反相开关电源处于开关工作状态，容易互相影响，导致工作不稳定，输出电压容易跳动。因为反相式开关电源的输入限制，从+15V电源(与+29V电源使用同一电源)使用Max1846或者Max1847变换成-16V。为了能给运放干净的电源，提高CCD相机图像信噪比，使用组合电源的方式来降低纹波和噪声，即使用负输出、低噪声的LDOLT1964来将-16V进一步变换成-15V。
+1V电源仅需提供约几十mA的电流，直接用线性稳压电源来实现，而且要求其参考电压小于1V，一般的LDO不能实现，选用VLDO(Very Low Dropout)LT3021从+5V电压变换来实现。
在选用开关稳压电源时，为了进一步提高变换效率，可以选择同步式开关电源，但是这种电源往往***电路复杂一些，但是体积相对来说更小。
电源板的布线对噪声和电源的稳定性影响极大，而且出现EMC(ElectroMagnetic Compatibility，电磁兼容)问题很难纠正。优先选用有地平面的布线方案。对于双面板，选择一面铺满地的方案，有利于减少噪声、降低EMI(Electromagnetic interference电磁干扰)。对于模拟电源和数字电源，采用分别集中布置，互不干扰的原则进行，分区而不分开，也就是共地，但是分开布局布线。
对于开关式稳压电源，注意***元器件的布置，做到电流环路面积最小。因为反馈线一端为高阻抗，对噪声敏感，所以要远离开关二极管、电感等，且反馈线不能太粗。
电源板上各种电源集中分布，要格外重视散热设计，保证芯片工作时结点温度低于允许的最大值。采用敷铜板进行散热设计是一种简单有效的方式。选用适当的封装形式也可以增加芯片的散热能力。目前很多的封装形式设有Exposed Pad或者Tab，如图3所示，即暴露在外面的大焊盘，其作用也是为了改善芯片的功率耗散能力。将其直接与PCB接触，或者通过合适的导热过孔将其与地平面或者电源平面相连，可以大大改善芯片的散热能力。
导热过孔一般选择12mil，可以是一排或者几排小过孔，过孔之间距离在1mm～1.2mm之间，在焊接过程中，过孔中充满焊锡，从而起到导热的作用。
采用此种方案设计的CCD47-20的电源板实物图见图4，面积小，重量轻，散热能力强，效率高，纹波和噪声系数小，工作稳定，只需要一块PCB板就可以实现面阵CCD驱动电路需要的高达10种左右的电源，大大缩小了整个CCD相机的体积。经过调试和使用，完全满足CCD芯片对各种电源的要求，达到了良好的效果，是一种简单可行的CCD电源方案，使小型化、低功耗的机载遥感仪器的实现有了前提和保障。
Claims (1)
1、一种高分辨率机载遥感CCD相机的小型低功耗电源构建方法，包括步骤：
S1.确定CCD相机所需要供电电源种娄，哪些是模拟电源，哪些是数字电源，以及计算各种电源需要的功率大小以及纹波和噪声的要求；
S2.研究选择线性稳压器的可能性，优先选择线性稳压器，关键之处在于给定的输入输出电压差和负载电流的情况下，线性稳压器是否能耐受和发散所产生的热量；
S3.根据所需要的负载电流和输入、输出电压的限制，选定合适的线性稳压电源，不同的线性稳压电源纹波和噪声不同，不同封装的热阻和散热能力也不同；
S4.在不能用线性稳压电源来实现的情况下，考察使用开关式集成稳压电源来提高电源的效率，由于开关稳压电源包括同步或异步，隔离或非隔离，电源反馈或电压反馈诸多种类，应根据需要仔细选择，也可借助模拟软件进行选择比较；
S5.为了提高电源的质量，可以采取组合方式来进一步降低纹波和噪声，在开关式稳压集成电源后面加一级线性稳压电源可显著改善噪声和纹厂波，而且效率还比较高，或者通过增加一级后置LC滤波器来改善纹波水平，但是与其中选择的电容ESR有关；
S6.PCB布线与电源的纹波和噪声紧密相关，首先要正确布置开关电源的***器件，选用合理的接地方案，尽量减小电流环路面积；
S7.CCD相机的电源板上电源IC集中分布，散热设计非常重要，可以采用敷铜板或者别的散热方法进行散热。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |