芯耀
与非AI
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自动驾驶汽车是如何识别停车标志的？这主要依赖于图像传感器对现场画面的精准捕捉，以及软件算法对停车标志形状和文字特征的智能识别。这种基础能力也广泛应用于多种场景，从视频会议和移动设备，到用于工厂生产线产品检测的机器视觉系统。
如今，图像传感器已设计用于各种专门应用。尽管这些应用千差万别，但在硬件方面，图像传感器始终面临着一个共同挑战：它们对供电条件的要求极为苛刻。噪声、电压漂移、上电时序不当或热应力都可能降低图像质量，并引入软件无法校正的错误。随着传感器向更高分辨率和更快帧率发展，其供电要求也愈发严苛。
图像传感器处于光学工程与电气工程的交叉领域，内部集成了敏感的精密电子元件。因此，它们需要为各个子系统提供多路独立电源输入，而每一路都有各自的电压容差和上电时序要求。基于这些挑战，本文将探讨构建电源树时，需要考虑哪些设计因素，以满足图像传感器对电压容差和上电时序的要求。我们将分析降压转换器与低压差 (LDO) 线性稳压器之间的权衡取舍，以及拓扑结构的选择将如何影响效率、成本、传感器性能、热管理，以及长期可靠性。
01、传感器基础知识
图像传感器将镜头形成的图像转换为数字信号。这一技术可用于视频会议、支持自动驾驶汽车，或检查灌装线上每一瓶番茄酱是否都盖好了瓶盖。当然，不同应用的需求各不相同，因此图像传感器必须与具体应用要求相匹配。视频会议摄像头需要在各种背景下清晰显示人物，而机器视觉摄像头则必须快速捕捉生产线上经过的物体。制造商已开发出各种类型的传感器，其读取速度、动态范围和低照度性能均针对特定应用需求进行了专门优化。
02、电压控制策略
将光转换为数字数据需要整个系统具备精密控制，而这一切都始于电源。图像传感器通常需要由分立器件构成的电源树或电源管理集成电路 (PMIC)，为各个电压轨提供合适的供电电平。通常情况下，电源树或PMIC的输入电压初始值会较高，然后再根据各个支路的需求逐级降压。PMIC是一种常见的选择，但其集成度可能会限制设计灵活性，因此无法确保与特定传感器实现最佳匹配。更常见的做法是，利用LDO或降压转换器构建分立式电源树来实现这种降压转换。这样可以提供更大的设计灵活性，且成本更低。选择LDO还是降压转换器，取决于具体应用，以及两者在特性差异和权衡方面的不同（表1）。
通常，在LDO和降压转换器之间进行选择时，主要考量因素包括：
LDO通常是一种成本较低的选择，而且在压差较小时能够高效运行。然而，随着压差增大，其效率也会下降，进而导致工作温度升高，并可能影响封闭式模块的适用性。
降压转换器效率较高，尤其是在大压差且重负载的情况下。固有的高效率使其运行温度更低，但成本也更高，而且体积通常更大，需要为转换器本身及外部电感器留出更多的印刷电路板 (PCB) 空间。此外，与LDO相比，降压转换器输出纹波更大，可能会干扰敏感的图像传感器输入。
表1：在降压幅度大于或等于500mV的前提下，LDO与降压稳压器之间的实际差异清晰可辨。[1] （来源：onsemi）
在大多数应用中，若无明确限制条件，LDO都是首选方案。评估稳压器方案的一种实用方法是梳理一系列简短的设计问题：
成本较低的LDO能否胜任这项工作？如果压差相对较小，LDO通常是首选，但还需结合其他因素考量。
LDO能否满足温度需求？设计人员通常会估算功耗 (PD) 以及由此产生的结温，以确保稳压器保持在规定的温度限制范围内工作。如果预期温升接近器件极限，则可能更倾向于选用开关稳压器（如降压转换器），以提高效率并减少发热。
是否有足够的功率余量来弥补LDO效率低的问题？使用市电供电的设备通常不会有问题，而电池供电的设备使用降压转换器运行效果会更好。
03、电源轨命名规范
图像传感器的架构和引脚功能会因制造商和具体应用而异，但通常都至少需要为几个内部子系统供电，包括数字I/O、图像处理和模拟图像感测。图像传感器的电源树设计通常基于以下电源输入引脚：
VDD：为负责内部逻辑和图像处理的数字内核供电
VAA：为模拟图像传感像素阵列和模数转换器 (ADC) 供电
不同制造商对这些电源轨的命名可能有所不同，但其功能相似。在设计电源树时，仔细研究传感器规格至关重要，可确保充分了解各项要求及其容差范围，并据此制定解决方案。此外，在运行过程中，各电源轨的上电和断电都必须遵循正确的时序。
04、实际应用中的典型电源树架构
以采用5V输入电源轨的 onsemi Hyperlux™图像传感器为例，其电源树配置具有一定代表性（图5）。该设计并未采用单级直接降压至目标电压的方式，而是通过多级降压来避免某一节点出现过度的功耗。如果第一级降压幅度适中，则该中间节点可直接为电压最高的传感器输入供电，从而减少器件总数。在其他情况下，采用四级设计更有利于兼顾散热和效率方面的要求。在四级设计中，第一个LDO的最大额定电流应等于后续三个输入的最大额定电流之和。
需要注意的是，每个输入不仅具有不同的电压和容差范围，还存在一些更细微的技术要求。VDD通常具有最严格的电源轨电压容差要求，如下图所示。这就要求所选的LDO或降压转换器具备良好的瞬态响应能力。为图像传感像素阵列供电的VAA对噪声最为敏感。带有噪声的电源输入会导致最低有效位波动，从而降低图像质量。VAA的理想供电输入是采用具备高电源抑制比（PSRR，大于85dB）和极低噪声（小于10mV）的LDO。在电路板布局中，LDO应尽可能靠近VAA输入端的球栅阵列，以减轻走线噪声。
图5：此电源树示例展示了支持图像传感器所需的典型供电特性。（图源：onsemi）
05、新一代图像传感器的发展演进
凭借在图像传感器设计与实施方面的深厚专业积累，安森美 Hyperlux图像传感器电源树提供经过验证的降压转换器、低噪声LDO和PMIC组合，为Hyperlux系列图像传感器电源树的设计消除了不确定性。安森美电源树提供5V、5V-18V和48V等灵活输入选项，简化了从电池供电设备到车载摄像头系统等各种应用的集成。
电源树中的各个元件均针对不同图像传感器的输入需求提供相应支持。例如，在上文图5中，之所以为VDD输入选择安森美 T30LMPSR165超快线性稳压器，是因为这款出色的LDO具备快速瞬态响应时间（典型值为1μs）、低噪声和高PSRR，因此可以满足VDD严格的容差要求。
利用经过验证的设计有助于新产品更快推向市场，尤其是在围绕兼具高图像质量和低功耗的新型图像传感器进行设计时，更能体现这一优势，例如安森美 AR0544和AR0830 Hyperlux LP图像传感器。这些图像传感器专为超低功耗而设计，可通过精确的供电更好地支持其睡眠和唤醒功能。AR0544和AR0830可在边缘端提供先进的图像采集功能，并具备可编程工作模式，允许设计人员在分辨率、帧率、带宽与功耗之间进行权衡。
06、结语
要实现高性能视觉系统，必须精心挑选合适的图像传感器，并由经过优化的电源树提供支持。使用分立器件设计电源树可提供最大的灵活性，从而满足众多应用对电压容差、噪声限制和时序的严格要求。LDO与降压转换器之间的特性差异直接决定了系统可靠性和图像质量。同样，只有充分了解每个电源轨的独特需求，包括对噪声敏感的{1}VAA输入以及需要严格稳压的VDD内核，才能确保系统稳定运行。随着成像技术不断拓展到自主系统等更多应用领域，电源架构中那些看似不起眼的决策，将决定机器能否清晰地感知世界，以及基于所见信息作出行动时的可靠性。
参考资料
[1]https://www.youtube.com/watch?v=e4vnTTCoe1U
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