ミラーレス/デジタル一眼の動作時間を延長させる方法

プロ市場向けデジタルカメラの販売は堅調に増加を続けています。スマートフォンのカメラもそれらの性能に近づいていますが、もっとも困難な要求に応えることはできません。

• 図1 デジタル一眼レフカメラのイメージ

デジタル一眼レフ(DSLR)およびミラーレス(DSLM)カメラには、スマートフォンのカメラに対する複数の優位性があります。より大型のDSLR/DSLMのセンサーはより大きいピクセルが可能なため、光に対する感度(ISO)が向上します。より大型のセンサーにはより多数のピクセルを実装可能なため、総解像度が向上し、より詳細な画像につながります。その他の機能として、カスタマイズ可能なレンズ、被写界深度の(ソフトウェア制御ではない)真の光学式制御、真の光学式可変絞りオプション、およびシャッター速度とISOの高精度の制御などがあり、これらすべてが完璧に近い写真の実現に役立ちます。当然ながら、より高い性能には、カメラに給電するリチウムイオンバッテリーからのエネルギー消費量の増大というコストが伴います。本レポートではデジタルカメラへの給電の課題について解説し、より高い柔軟性に加えて電力の節約が可能な新しい方式を提案します。

DSLRカメラのブロック図

図2は、標準的なDSLRカメラのブロック図を示しています。光は第1のミラーの前のレンズによって合焦され、ミラーは(位置に応じて)光束をイメージセンサーまたはビューファインダーに偏向します。DDRメモリは、デジタルコアによって処理された検出画像および内蔵マイクロフォンから収集された音声を保存します。

DSLMカメラは、ミラーとビューファインダーを取り除くことによって、より小型のレンズをよりセンサーの近くに配置し、カメラのサイズとコストを削減します。代わりに電子ビューファインダーが利用されますが、これには表示される出来事と実際の時間の間にわずかな遅延という欠点があります。望遠画像では手ブレの影響が増大するため、望遠撮影にはジャイロスタビライザーが必要です。最後に、Wi-Fiの使用によってカメラのワイヤレス制御が可能になり、ユーザーは写真を直接スマートフォンに送信して出先で容易に共有することができます。これらの機能ブロックのすべての電子回路はメインCPUによって制御され2セルまたは3セルのリチウムイオンカメラバッテリによって給電されます。

• 図2 DSLRカメラのブロック図

DSLRカメラの電源(PMIC)

図3はすべての電圧レールを給電する汎用PMICバックを示し、動作中の各ブロックによって消費される電流(合計6A)を示しています。

• 図3 DSLRカメラの電源ツリー(PMIC)

DSLRカメラ用の標準的な電源は、7.2Vおよび1200mAhを供給する2セルリチウムイオンバッテリです。話を簡単にするために、効率が90%でバックレギュレータによって利用される出力電圧が平均2Vと仮定すると、合計の入力ピーク電流は、

6A × 2V/ (0.9 × 7.2V) = 1.85A

になります。

この電流が継続的に消費されると、バッテリはわずか39分間(1200mAh/1.85A)で放電してしまいます。これは、デジタルカメラで省電力がどれほど重要かを示しています。

PMICを使用する場合、電源から負荷への配線を最小限に抑えるために、中心付近に配置する必要があります。この方式では、各電源は多くの場合負荷から遠く離れています。プリント基板(PCB)のレイアウトが重要になり、PCBトレース上での大きい損失を防ぐ必要があります。

1つの例として、1.2Vの負荷が1.5A(1.8W)を消費し、PMICからの距離が1/2オンス銅PCBトレース20スクエア(1mΩ/スクエア)の場合、トレース上で、

20 × 1m × 1.5² = 45mW

の電力損失が発生します。

これは2.5%の効率低下に相当し、効率カーブ全体を2.5ポイント低下させるのと同等です。カメラの動作時間はそれに応じて短くなり、カメラのユーザーから最後の貴重な数枚の撮影機会を奪うことになります。

DSLRカメラの電源(POL)

DSLRカメラに給電するためのより良い方式は、図4に示すように、ポイントオブロード(POL)アーキテクチャによるものです。

この場合、スタンドアロンのレギュレータが給電対象の負荷の近くに配置されるため、前述のPCB配線の問題および電力損失がなくなります。POL方式のもう1つの特長として、拡張性があります。特定のDSLRカメラモデルに関連する電源ツリーの複雑性に応じて、複数の小型バックレギュレータを追加または除去することができます。

• 図4 DSLRカメラの電源ツリー(POL)

POLの例

1つの例として、同期整流1.5AステップダウンDC-DCコンバータで、ポータブル2セルまたは3セル、バッテリ動作またはUSB-Cアプリケーション用に最適化されているMaximの「MAX77503」を利用する方法を考えてみましょう。このステップダウンコンバータを使用して、図4のPOL電源ツリー中のそれぞれの必要な負荷に個別に給電することができます。分散型のPOLアーキテクチャによって、トレース損失が防止され、前項で示した中央集中型のPMIC方式に比べて効率が約2.5%向上します。

このコンバータは3V～14Vの入力電源で動作します。出力電圧は、I²Cシリアルインタフェースを介して0.8V～5Vの範囲(50mVステップ)で調整可能、または外付けフィードバック抵抗で1.55V～電源電圧の99%に調整可能です。

出荷時設定の1.2V、1.8V、および3.3Vのデフォルト電圧が提供され、出力電圧を設定する外付け抵抗分圧器を不要にすることによってコモンレール用の部品数を削減します。低R_DS(ON)同期整流MOSFETトランジスタの内蔵によって、このICは高負荷時に高効率を示します。また、このデバイスは低I_QのSKIPモードを備え、軽負荷時にも優れた効率を実現します(図5)。

• 図5 POLバックレギュレータの効率

このバックレギュレータは、0.4mmピッチの12ピンウェハレベルパッケージ(WLP)で提供されます。図6は、性能を最適化した場合(2520インダクタの場合)の17.5mm²というバックレギュレータのPCBサイズを示し、内部フィードバックバージョンでプルアップは省略しています。サイズを最適化したPCB(2016インダクタの場合)が使用するのは14.3mm²です。

各POLの小さな占有面積は、単一パッケージのPMICに対し、複数のパッケージを利用する分散アーキテクチャのサイズの不利な点を最小限に抑えるために役立ちます。

• 図6 性能を最適化したPCB(17.5mm²)でのPOL

結論

DSLR/Mカメラの高性能化には、リチウムイオンバッテリからの消費エネルギー量というコストが伴います。今回は、POLシステム方式によるデジタルカメラ内の配電が、PCBトレースの損失を最小化することによって省電力につながることを示しました。拡張性はPOLのもう1つの特長で、デジタルカメラの複雑性に応じて必要な数の小型バックレギュレータを追加または除去することが可能です。そのため、デジタルカメラのPOLアーキテクチャの基本的ビルディングブロックとして、高効率、小型バックコンバータを推奨しました。