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澳门网址【学术论文】高性能LDO在安防监控系统

发布时间:2020-09-03 06:51

  随着智慧城市和智能终端的飞速发展,安防监控系统得到了广泛应用,对电源管理芯片也提出了越来越高的要求。LDO(Low Dropout Linear Regulator)作为低压差线性稳压器,以低噪声、高PSRR(Power Supply Rejection Ratio)、外围简单等优点成为理想的电源管理方案,可以满足安防监控系统对与噪声非常敏感的要求。介绍了高性能LDO在安防监控中的应用,LDO的关键技术指标以及对安防监控系统的影响。

  中文引用格式:阮颐,王甲,张兵兵. 高性能LDO在安防监控系统中的应用[J].电子技术应用,2019,45(12):67-69,82.

  智能时代的加速到来为安防行业注入了新的活力,随着通信技术的快速发展,人们对监控系统的图像和语音质量也提出了更高的要求。

  本文以网络摄像机IP CAMERA(简称IPC)为例,介绍安防监控系统方案。

  网络摄像机是一种结合传统摄像机与网络技术所产生的新一代摄像机,它可以将影像通过网络传至地球另一端,且远端的浏览者不需用任何专业软件,只要标准的网络浏览器(如Microsoft IE或Netscape)即可监视其影像。网络摄像机一般由镜头、图像/声音传感器、A/D转换器、图像/声音/控制器网络服务器、外部报警、控制接口等部分组成。网络编码模块将模拟摄像机采集到的模拟视频信号编码压缩成数字信号,从而可以直接接入网络交换及路由设备。网络摄像机内置一个嵌入式芯片,采用嵌入式实时操作系统。

  IPC的设计框图如图1所示,澳门网址,系统方案由嵌入式主控芯片、电源管理、光学传感器、存储器、音频电路、马达驱动电路和接口部分组成。

  从图1可以看到IPC电源管理部分的设计。通过一个DC/DC电路(开关电源)将12 V直流供电转换成3.3 V后,需要多路LDO提供不同电压的输出,给系统的数字电源、模拟电源、主芯片的内核以及IO供电。

  IPC系统中采用了多路LDO进行供电,在安防监控系统中,对图像和语音的质量有较高的要求,因此对于噪声尤为敏感,所以需要选用高性能的LDO为系统供电或者提供参考电压。

  LDO的关键指标有输出精度、输入输出最小压差、负载调整率、线性调整率、瞬态响应、温度特性等,其中安防监控系统中比较敏感的指标是底噪和PSRR。

  LDO输出端的噪声由两部份组成,一部分来自LDO的输入端,由前级电路引入;另外一部分来自LDO本身。由输入端引入的噪声可以通过提高LDO的电源抑制比(PSRR)来解决,LDO内部电路产生的噪声即LDO的低噪,可以通过优化LDO的设计,采用低噪声的带隙基准或者引入前馈电容来优化输出底噪 [2] 。

  图2和图3分别为通用LDO的噪声频谱和低噪声LDO的噪声频谱。低噪LDO在音频频谱内(20 Hz~20 kHz)有更好的表现。

  在带有音频信号处理的安防监控系统中,LDO会用来给麦克前级电路提供偏置电压。由于麦克微弱的信号在系统中会经过放大和A/D(模数)转换,因此LDO在音频范围内(20 Hz~20 kHz)的底噪的差异会对编解码后的数字音频输出产生较大的影响。

  图4和图5为通用LDO的PSRR和高性能LDO的PSRR频率曲线。由于安防监控系统在电源管理模块中第一级电压转换采用开关电源的输出作为后级LDO的输入,因此LDO的电源输入端会存在较大的噪声,高PSRR的LDO可以为后级电路提供纯净的电源或者电压基准,从而降低整个系统的噪声 [3-6] 。

  高性能LDO的PSRR曲线 kHz)的表现决定了IPC系统输出的音频噪声。图像传感器的动态负载范围在1 000 kHz到1 MHz之间。因此,在较高频率下,高的PSRR可改善图像质量 [7] 。

  在IPC系统中,LDO输出端的噪声决定了监控系统音频和视频输出端的噪声。为了降低噪声,系统采用了一路单独的LDO为麦克输入信号提供电压偏置,以音频为例对LDO在IPC系统中的表现作对比测试。

  LDO输出噪声由两部分组成,即LDO的本底噪声和LDO输入电源端的噪声。图6为开关电源输出噪声,即LDO的电源输入端的噪声。

  从图6中可以看到,LDO的输入端在低频端有较大的噪声,这对于LDO的电源抑制性能是很大的考验。

  在IPC的解码后的音频输出端进行测试,采用通用的LDO会在音频输出端得到较大的噪声,噪声的频谱特性如图7所示。

  从图7中可以看到,IPC系统解码后的音频输出在20 Hz~4 000 Hz频率范围内存在较大噪声。

  选用低噪声、高PSRR的高性能LDO,会改善IPC系统的音频输出噪声。图8为高性能LDO在IPC中的音频输出噪声频谱。

  从图8中可以看到,20 Hz~4 000 Hz频率范围内的系统输出噪声有了明显改善。

  随着万物互联和智能终端的普及,LDO得到了越来越广泛的应用,仅以IPC系统为例,就用到了5路LDO作为电源或者提供偏置电压。随着主控芯片的不断升级和系统的复杂度不断提高,低噪声、高PSRR的LDO会成为电源管理芯片的主流,得到更加广泛的应用。

  [3] 阮颐,王甲.一种低压差线性稳压器LDO高频段电源抑制比的测试方法[J].集成电路应用,2018(10):15-17.

  [4] 何洋,澳门网址马永旺,侯佳力,等.一种使用Capless LDO结构的片上电容的预估方法[J].电子技术应用,2019,45(2):23-26.

  [5] 周志兴,来强涛,郭桂良,等.一种应用于LDO的宽范围稳压电路[J].电子技术应用,2019,45(3):28-31.

  [6] 初飞,宋奎鑫,赵元闯,等.一种应用于LDO的可编程电流限电路设计[J].电子技术应用,2018,44(4):23-26.

  [7] 黄月娥.宽输入输出超低静态电流高PSRR LDO的设计研究[D].西安:西安电子科技大学,2014.

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