技术解析｜图像传感器的电源管理：从电源树到成像性能的支撑

技术解析｜图像传感器的电源管理：从电源树到成像性能的支撑

芝能智芯出品

图像传感器的性能不仅与像素密度、动态范围及噪声控制相关，其电源架构同样在成像质量与系统稳定性中扮演着关键角色。随着分辨率和帧率的不断提升，电源需求呈现出多路供电、高动态响应以及低噪声输出等复杂特征。

安森美半导体（onsemi）在其技术白皮书《Unlocking the Power of Image Sensor Power Tree》中，详细探讨了图像传感器电源树的设计方法、热管理建模以及功耗优化策略。

本文从电源拓扑结构、热设计考量以及效率对比三个方面，深入分析了电源树如何支撑Hyperlux系列图像传感器实现低噪声、高稳定性的成像表现，并解释了Buck与LDO两种稳压方式在不同应用条件下的选择逻辑。

接下来，我们将逐步解析图像传感器电源管理的核心要点。

电源树设计：Buck与LDO的协同演进

图像传感器是一种对电源极为敏感的电子系统。像素信号通常仅有几微伏到毫伏级别，若电源纹波或瞬态响应不足，极易在图像输出端引入固定图案噪声或亮度漂移。

在电源树（Power Tree）的设计中，如何在效率、噪声与热性能之间找到平衡，是整个系统架构的核心挑战。

Buck转换器与LDO（低压差线性稳压器）通常被视为互补的电压调节方案。

• Buck转换器通过开关控制以PWM方式调节输出电压，适用于从高电压向中低电压的转换，效率通常可达90%以上；
• LDO则主要负责电源的最后一级滤波，为图像传感器的模拟前端或像素阵列提供低噪声的电源轨。

这种Buck与LDO相结合的供电架构，构成了图像传感器电源系统的“骨架”。

在实际应用中，Buck转换器通过控制Q1与Q2的导通与关闭状态，调节输出电压。尽管效率较高，但高频开关可能引入电磁干扰（EMI），因此在靠近成像区域的供电路径中，LDO常被用来进一步净化电压。

与之相比，LDO虽然效率较低（通常仅为Buck的一半），却具备优异的电源抑制比（PSRR），在电流稳定条件下可以有效抑制纹波与噪声。

以一个典型的电源架构为例，VDDIO（3.2V）和VAA（2.8V）通常由Buck转换器供电，随后通过LDO进行精调，以满足像素阵列与模拟电路的低噪声需求；而数字核电压VDD（1.2V）则可直接由DCDC输出，优先考虑效率与热管理。

这种分层式供电结构有效兼顾了系统稳定性与能耗控制，成为现代高性能图像传感器的主流设计。

从电源到热流：热设计的关键影响

图像传感器电源系统的复杂性不仅体现在电压层级上，也体现在热设计方面。Buck与LDO的功耗差异会引发芯片内部热分布不均的问题。

以典型应用为例，在VIN=5V、VOUT=1.8V、IOUT=350mA、环境温度为60℃的条件下，LDO的结温约为107℃，而Buck仅为64.5℃。如果结温长期超过125℃的安全阈值，将显著影响传感器的可靠性与寿命。

因此，电源设计工程师在优化电压与噪声的同时，还需以热阻（RθJA）为核心指标进行散热路径优化。

热阻（Theta JA）是结温与环境温度之间的线性关系，表示单位功耗下结温上升的速率。安森美依据JEDEC JESD51-7标准定义了统一的测试条件，采用4层PCB结构作为测试基准，从而实现不同封装形式与厂商之间热性能的直接对比。

以NCP163为例，其WLCSP4封装的RθJA为108℃/W，而SOT23封装则高达218℃/W。在相同0.5W功耗条件下，后者结温上升幅度将接近110℃，对系统的热可靠性提出了更高要求。

电源树的设计逻辑不仅关乎电压的降压与稳压，更体现了能量流与热流的系统协同。这种协同作用体现在三个方面：Buck负责高效能量转换，LDO负责信号纯净输出，而PCB与封装设计则决定了系统在高负载下的热稳定性。

Hyperlux电源架构：效率与可靠性的双重提升

进入Hyperlux图像传感器时代，电源管理已不再仅仅是“供电”问题，更是“性能释放”的关键环节。

安森美推荐的NCV92310 PMIC集成了多路DCDC与LDO输出，在系统级实现了PSRR与瞬态响应的高精度匹配，是对图像质量与系统稳定性的双重保障。

Hyperlux电源树的设计基于模块级的热与功耗最坏情况，设定环境温度为60℃，确保在极端负载条件下仍能维持关键参数的稳定。

电源抑制比（PSRR）是LDO性能的重要指标，决定了电源噪声在输出端的衰减能力。对于成像系统而言，PSRR越高，电源纹波对像素信号的干扰越小。NCP189 LDO凭借80mV的低压差与±2%的输出精度，为图像传感器模拟域提供了低噪声供电基础。

在电源效率方面，Buck与LDO的性能差异体现了“能量分工”的特点。Buck的高效率（约90%）意味着仅有10%的能量转化为热，而LDO在较大压差下效率可能降至36%，即三分之二的能量以热量形式损失。

设计中常采用“主Buck+子LDO”模式，通过在Buck输出端预设中间电压（如3.3V至2.8V区间），可有效降低LDO压差，提升系统整体能效。

在高温应用如车载摄像头或工业视觉系统中，热管理尤为关键。当LDO在VIN=5V、VOUT=1.8V、IOUT=0.25A的条件下运行，其功耗为0.8W，结温比环境高86.4℃。在60℃环境下，器件温度接近146℃，已逼近150℃的绝对安全极限。

为确保系统长期稳定运行，设计中常需要通过降低负载电流或优化热路径来控制温度。

JEDEC标准通过统一的PCB结构（四层FR4，2oz外层，1oz内层）引入可比性与可追溯性。安森美遵循该规范，使不同产品间的热数据具备横向对比价值。系统工程师可基于RθJA参数估算结温，从而评估电源树在封装与板级层面的热余量。

成像模块在不同工作阶段（如曝光、数据读取与传输）中，负载电流可能快速变化。LDO的瞬态响应能力决定了电压恢复时间，直接影响图像稳定性。

Hyperlux电源设计特别强调“动态响应时间”与“输出电压偏差”两项指标，通过NCV92310的高速反馈回路与多相同步控制，有效应对快速变化的负载波动。

系统级视角下的电源架构设计

从系统角度看，Hyperlux电源树并非简单的电路组合，而是一种“功率分层管理体系”。DCDC负责高效率的能量转换，LDO负责信号级的纯净输出，而PMIC则承担整体调度与保护功能。

通过这种多层次的嵌套架构，图像传感器在极端光照与高帧率条件下仍能保持成像质量的稳定。

图像传感器的性能极限，往往由电源架构的底线决定。Buck与LDO的选择不仅是电路层面的优化，更是系统能量生态的塑造。

从Hyperlux的电源树可以看出，当热性能、噪声控制与效率在工程层面被量化并实现平衡后，成像系统的可靠性、响应速度与动态范围均得到显著提升。

对于工程师而言，理解电源树不仅仅是理解“如何供电”，更是理解“如何构建图像的底层基础”。电压精度、PSRR、热阻与结温等参数，决定了传感器是否能在亿级像素、毫秒级曝光的背景下持续稳定运行。

原文标题：技术解析｜图像传感器如何进行能量管理？从电源树到成像系统