想让图像传感器“看得清”，别让电源设计拖后腿！

从安防监控到自动驾驶，从机器视觉到人脸识别……CMOS图像传感器已经深度融入我们的生活，成为人们随时随地获取海量视觉信息，为智能化决策提供关键数据的技术引擎。

想让CMOS图像传感器这只“慧眼”看得更清、看得更准，人们通常都会特别关注分辨率、像素数、光学尺寸、动态范围等这些图像传感器的硬指标；不过除此之外，很多人并没有意识到，决定一个图像传感器系统性能优劣的还有一个关键因素，那就是“电源系统”。

与普通的数字芯片相比，CMOS图像传感器本质上是一个高度复杂的精密电子系统，其在将镜头收集到的光学信号转化为数字数据的过程中，要进行大量的模拟与数字混合运算，因此对于电源异常敏感，电源噪声、电压漂移、不恰当的时序或热应力都可能会影响图像质量，造成后期软件处理难以纠正的“硬伤”。而且，随着图像传感器向更高分辨率、更快帧率发展，它们对电源系统的要求也变得愈发严苛。

因此，如何根据CMOS图像传感器的工作场景，设计一套高效、可靠、低噪的供电方案，不让电源系统成为拖累图像传感器“视力”的瓶颈，也就成了摆在硬件工程师面前的一道实战难题。

图1：CMOS图像传感器（图源：贸泽电子）

图像传感器的电源架构

想要打造理想的图像传感器电源管理系统，自然先要从拆解CMOS图像传感器的电源架构入手。

众所周知，今天我们所使用的CMOS图像传感器，实际上是一个集成了光电传感单元和相关功能电路的电子系统，其电源系统需要为多个子系统提供独立的电源输入轨，且针对每个电源轨又有不同的性能要求，这样的复杂性正是图像传感器电源系统设计挑战所在。

通常来讲，一颗标准的CMOS图像传感器涉及图像处理、数字I/O和模拟图像感测三个关键的系统电源域，由此也就需要三条重要的电源轨：

1、VDD数字内核轨：这是为器件核心逻辑单元供电的电源轨，提供传感器数字逻辑和图像信号处理所需的电压，该电压通常较低（1.0V-1.25V）。由于其负载会随着帧率和分辨率变化而剧烈波动，因此VDD通常对电压容差和瞬态响应性能有较高的要求。

2、VDDIO数字接口轨：为数字I/O通信接口供电，其典型电压范围在1.8V-2.8V，以确保传感器内部低压芯片能够与外部工作电压更高的器件进行通信。

3、VAA模拟像素轨：这是为模拟图像感测像素阵列和模数转换器供电的电源轨，在图像传感器三个电源轨中所需电压最高（2.8V）。VAA对电源噪声特别敏感，线路中的高频噪声或纹波，往往会直接影响传感器模数转换的数据质量，在输出画面上产生肉眼可见的噪点。

想要满足上述这些功能彼此独立、性能要求各异的图像传感器子系统的供电所需，在电源系统的设计上通常需要借助一种称为电源树（Power Tree）的架构设计工具，将来自主电源的电能（可以视为树的主干），通过多级的电压转化和稳压（好似树的分枝），形成不同的电源轨，分配给相应的功能子系统。

图2：图像传感器电源树架构示意图（图源：onsemi）

电源树设计中的技术考量

由此我们也不难看出，在构建图像传感器的“电源树”时，关键之处就在于每个电压分枝（转换）节点电源管理器件的选择。

这时，摆在工程师面前的通常有两个选项：低压差稳压器和降压转换器。

低压差稳压器（LDO）是用单个MOSFET直接降低输出端的电压的线性稳压器，架构简单、外围元减少、成本较低；而且由于其没有开关动作，不会在导通和关断状态切换过程中产生噪声，天生具有低噪声的特性。不过，LDO的工作原理决定了在压差较大或负载较高时其效率会显著下降，这会带来系统温升和热管理等方面的挑战。

降压转换器的原理是通过一个开关快速地反复导通与关断，来降低负载上的电压，具有高效率的优势，产生热量少，能很好地维持系统热稳定性。不过其代价是会产生了更大的开关噪声和纹波，所需外围元件也较多，会占用更多PCB空间。

此外，对于更复杂的电源系统，PMIC (电源管理集成电路) 也是一个极具吸引力的集成化方案。PMIC是将多个电源转化器和LDO、上电时序逻辑以及保护功能集成在单颗芯片种，只需一颗器件即可提供多个高低压电源轨输出，能极大地节省PCB面积并简化系统设计。不过，PMIC高度集成化也意味着其灵活性不足，难于满足特定电源管理的精细需求。

可见，在图像传感器的“电源树”的设计上，没有一种“万能”的解决方案，工程师必须通过仔细研读各个电源管理器件的规格书，并与实际应用场景相结合，为电源树的各个节点选配恰当的稳压器件。而且，在这个过程中，还需要反复权衡各种要素，不断进行调优。

具体来讲，图像传感器电源树架构设计及各节点电源管理器件选型时，需要权衡的关键技术要素包括：

输入电压的多样性

这是决定电源树架构前置条件，因为不同应用场景——如电池供电设备、工业应用、机器人视觉、汽车系统等——提供的初始输入电压不同，在处理较高电压应用时，通常需要考虑采用多级降压转化的架构，并根据效率、噪声等因素选择合适的稳压器件，不能一概而论。

效率和热管理

如今的图像传感器模组外形日趋紧凑，且可能被置于封闭和高温的工作环境中，这对于效率相对较低的LDO来讲是不小的挑战，因为器件耗散的热量会导致快速的温升，进而加速老化并影响长期可靠性。这时，工程师就必须在效率、热性能，与系统成本、小型化之间进行权衡，找到更优解。

输出电压精度

作为一种极度敏感的电子系统，图像传感器每个像素的信号仅有数微伏到毫伏级，因此对于电源纹波或瞬态响应极为敏感（尤其是VDD），一旦电源纹波过高或瞬态响应不足，都会影响输出电压精度，进而造成数据错误或图像缺陷。

电源噪声

图像传感器对电源上噪声忍度极低，特别是VAA电源轨对此有更为严苛的要求。为此，在电源树架构设计中，需要考虑在靠近输出端的末级通过低噪声的LDO精调电压并实现滤波，为模拟前端或像素阵列提供更“纯净”的电源轨。在具体稳压器的选型上，也需要优先考虑使用高电源抑制比 (PSRR) 的器件。

上电时序

很多高性能CMOS传感器对核心、I/O和模拟轨的上电/断电顺序也有严格要求，错误的时序可能导致传感器内部闩锁或初始化失败，因此设计时需要额外增加时序控制或选择带有内部上电排序功能的PMIC。

总之，想要为CMOM图像传感器构建一个理想的电源树，既需要根据多样化的输入电压条件和不同的输出电源轨要求设计合理的多级稳压架构，又要为每一级电压转换选择合适的稳压器件，还要综合考虑效率、瞬态响应、噪声、时序等多种制约要素……诸多设计要求交织在一起，使得快速完成图像传感器电源树设计，成了一项不小的工程挑战。

那么，有没有一条捷径呢？答案是——有！

电源树设计一站式解决方案

为了有效应对上述的图像传感器电源树设计挑战，onsemi面向其久负盛名、应用广泛的Hyperlux系列图像传感器，推出了一站式的“电源树设计解决方案”。该方案并非简单的一款或几款电源管理器件推荐，而是基于深入的系统理解，巧妙结合了降压转换器、低噪声LDO和高集成PMIC等多种产品组合，针对不同图像传感器产品，以及多样化应用场景的高度优化的解决方案。

onsemi的图像传感器电源树解决方案覆盖Hyperlux系列所有主流产品型号。以面向8.3MP Hyperlux LP超低功耗图像传感器AR0830的电源树为例，我们可以看到，为了适应多样化应用场景的要求，onsemi针对三种常见的输入电压条件——5V、18V和48V——分别采用了不同的电源树设计策略，充分发挥各种电源管理器件的特性优势，为图像传感器提供稳健、安静且高效的供电解决方案。

针对5V输入应用，由于压差不高，onsemi优先选用低噪声LDO，通过两级稳压和滤波提供更“纯净”的电源，且兼具低成本和小型化的优势。

具体来讲，在初级稳压时，方案采用了onsemi的NCP161 LDO稳压器，可提供450mA输出电流，具有低噪声、高PSRR、低静态电流和良好的负载/线路瞬态等特性；而次级的稳压则选择了低噪性能更为突出的NCP163，该LDO以6.5 μVRMS的超低噪声和92dB@1kHz的高PSRR为核心优势，其专长就是为图像传感器等敏感的电路提供更纯净的电力。

图3：5V输入电压的AR0830电源树方案（图源：onsemi）

针对5V-18V及更高工业总线电压应用，考虑到LDO在高压差条件下功耗高的劣势，设计上通常会采用“降压转换器+后级LDO”的复合结构，即由降压转换器提供宽范围高效降压，再由后级LDO承担低噪声稳压输出。

值得一提的是，为了实现这一设计策略，onsemi采用了基于PMIC的高集成解决方案。该方案的核心是NCV92310 PMIC，它集成了多个开关型DC-DC降压转换器和一个LDO，只需一颗芯片即可实现图像传感器的多轨供电，在确保高品质设计的同时更大限度地减少设计工作量。

图4：5-18V输入电压的AR0830电源树方案（图源：onsemi）

针对48V车载或工业高压平台，onsemi提供的是分立式的两级稳压方案：电源树前端采用高效开关降压转换器实现初级降压转换，随后通过后续高PSRR LDO进一步完成稳压和降噪，以兼顾高效率与低噪声的设计要求。

这一电源树方案的初级，onsemi选用了具有宽输入电压范围的高效同步降压稳压器FAN6500xx，该器件集成了高侧和低侧功率MOSFET以及多重保护通能，采用固定频率电压模式PWM控制器，具有4.5V至65V的宽电压范围，可在100kHz至1MHz开关频率下工作，处理高达6A、8A和10A的连续电流；其还具有精度为0.67%的参考电压，可进行精确的调压。由于采用了onsemi的高性能PowerTrench®
MOSFET，FAN6500xx还可减少开关应用中的振铃现象。

图5：48 V输入电压的AR0830电源树方案（图源：onsemi）

本文小结

综上所述，图像传感器的性能发挥，离不开背后高效、安静且可靠的电源系统的支撑。不过，随着图像传感器性能的持续提升以及应用的不断扩展，其电源系统设计的复杂性也在与日俱增。

onsemi的Hyperlux图像传感器电源树应运而生，面向各种应用情景——从5V低功耗设备，到18V的工业平台，再到汽车和工业机器视觉等48V应用——提供了一整套高度优化的解决方案。

从此，硬件工程师不必再针对需求迥异的终端应用，翻阅大量的datasheet，进行复杂的方案比对和器件选型，而是可以根据不同的设计要求，快速匹配到理想的图像传感器电源系统解决方案，大大缩短开发周期、有效降低风险。

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