技术解析｜图像传感器的能量管理之道：电源树与成像系统的协同演进
芝能智芯出品
图像传感器的性能表现不仅依赖于像素数量、动态范围和噪声控制，其电源架构同样在成像质量与系统可靠性中扮演关键角色。随着分辨率和帧率的提升，电源需求日益呈现出多轨、高动态、低噪声的复杂特征。
安森美半导体（onsemi）在其技术文档《Unlocking the Power of Image Sensor Power Tree》中，系统阐述了图像传感器电源树的设计逻辑、热管理模型以及功耗优化策略。
本文将从电源拓扑结构、热设计考量以及效率对比三方面，深入探讨电源树设计如何支撑Hyperlux系列图像传感器实现低噪声、高稳定性的成像表现，并解析Buck与LDO两种核心稳压方案在不同应用场景中的选型逻辑。
这场技术研讨会内容详实，值得深入阅读。
电源树：从Buck到LDO的协同演进
图像传感器是一种极其敏感的电子设备。每个像素的信号仅在微伏至毫伏范围内，因此电源中的纹波或响应不足可能会在图像输出中引发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、噪声与热性能之间取得平衡，成为整个系统设计的核心挑战。
Buck转换器与LDO稳压器被视为两种互补的电源调节机制。
- Buck转换器负责将输入高压降至中低压，以高效率支持大电流负载；
- LDO（低压差线性稳压器）则承担最终的滤波任务，为模拟前端或像素阵列提供极低噪声的供电。
两者的协同构成图像传感器电源树的基本骨架。
从原理上讲，同步Buck转换器通过控制开关器件Q1与Q2的通断，采用PWM方式调节输出电压，其效率通常可超过90%。然而，高频切换可能引入电磁干扰（EMI），因此在靠近成像区域的供电路径中，通常还需LDO进行进一步降噪。
尽管LDO效率较低（通常仅为Buck的一半），但它在电流稳定时可有效抑制纹波与噪声，提供优异的电源抑制比（PSRR）。
以典型图像传感器电源架构为例，VDDIO（3.2V）和VAA（2.8V）通常由Buck供电，再通过LDO精调电压以满足像素阵列与模拟电路的噪声要求；而数字核心电源VDD（1.2V）可由DCDC直接供电，以兼顾效率与热管理。
这种分层供电结构在现代高性能图像传感器中广泛应用，有效平衡了系统稳定性与能耗控制。
电源树的复杂性不仅体现在电压层级上，也体现在热设计方面。由于Buck与LDO的功耗差异，芯片内部热分布往往不均。
手册中提供的实验数据显示，在相同输入条件（VIN=5V，VOUT=1.8V，IOUT=350mA，环境温度60℃）下，LDO的结温约为107℃，而Buck仅为64.5℃。
若结温长期超过125℃的安全阈值，将对器件的可靠性与寿命产生显著影响。因此，电源设计工程师必须在电压与噪声控制之外，以热阻（RθJA）为关键指标优化散热路径。
热阻（Theta JA）的本质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标准定义了统一测试条件，采用四层PCB作为基准，使不同封装与厂商之间的热性能具备可比性。
例如，NCP163的WLCSP4封装RθJA为108℃/W，而SOT23封装则高达218℃/W。在0.5W相同功耗下，后者的结温可升至约110℃，这对图像传感器的热可靠性设计提出了更高要求。
电源树的设计逻辑并不仅仅是电压的降压与稳压组合，更是一种能量流与热流的系统协同。
这一协同体现在三个层面：Buck实现高效能量调度，LDO实现信号级稳压，而PCB与封装设计决定了系统在高负载条件下的热稳定性。
从效率到可靠性：Hyperlux电源架构解析
在Hyperlux图像传感器的应用中，电源管理已不再仅仅是供电问题，而是系统性能释放的关键。
安森美推荐的NCV92310 PMIC集成了多路DCDC与LDO输出，实现了系统级PSRR与瞬态响应的匹配，体现了对图像质量与系统可靠性的双重追求。
Hyperlux电源树的设计以模块级热与功耗的最坏情况为基准，设定最高环境温度为60℃，从而确保在极端负载下仍能维持参数稳定。
电源抑制比（PSRR）是衡量LDO性能的重要指标，表示输入电源噪声在输出端的衰减能力。
对于成像系统而言，PSRR越高，电源纹波对像素输出信号的干扰越小。NCP189 LDO凭借其80mV的超低压差和±2%的输出精度，为图像传感器模拟部分提供了低噪声供电基础。
在电源效率方面，Buck与LDO之间的差异体现出明确的能量分工。
在90%的效率下，Buck仅将10%的能量转化为热损耗，而LDO在压差较大时效率可能降至36%，意味着三分之二的能量转化为热量。
工程师在电源架构设计中，通常采用“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），以缩小LDO压差，从而显著提升整体能效。
除功率与效率外，温度管理同样构成了Hyperlux设计的重要考量。
手册中的计算显示，当LDO在VIN=5V、VOUT=1.8V、IOUT=0.25A条件下工作时，其功耗为0.8W，结温比环境高86.4℃。在60℃的环境下，器件温度接近146℃，已接近绝对安全上限（150℃）。
在高温应用环境，如车载摄像头或工业视觉系统中，必须通过降低电流或优化热设计来确保设备长期稳定运行。
为提高热性能数据的可比性，JEDEC标准引入了统一的PCB结构（四层FR4，2oz外层，1oz内层）。
安森美依据该标准进行测试，使不同产品的热性能具备可横向对比价值。系统工程师可在设计初期依据RθJA估算结温，评估电源树在封装和板级层面的热余量。
图像传感器模块中的负载变化极为迅速，特别是在曝光、数据读取与传输阶段，负载电流可能在短时间内发生数倍波动。LDO的瞬态响应速度直接影响电压恢复时间，从而影响图像稳定性。
Hyperlux的电源设计特别强调“动态响应时间”与“输出电压偏差”两个指标，通过NCV92310的高速反馈环路与多相同步控制，实现对快速负载波动的有效应对。
从系统级角度来看，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部分提供高效能量传输框架，LDO实现信号级纯净输出，PMIC则负责系统协调与保护。通过这种多层次嵌套设计，图像传感器在极端光照与高帧率条件下仍能保持成像稳定性。
图像传感器的性能上限，往往由其电源架构的下限决定。
从Hyperlux电源树的设计可看出，当热性能、噪声控制与效率在工程层面被量化并平衡后，成像系统的可靠性、响应速度和动态范围均得到显著提升。
对于系统设计者而言，理解电源树不仅是理解“如何供电”，更是理解“如何构建图像系统的底层逻辑”。电压精度、PSRR、热阻与结温等参数，虽属微观层面，却决定了图像传感器在高像素、高帧率时代能否持续稳定运行。