深度解析｜图像传感器的能源管理策略：从电源架构到成像系统
由芝能智芯编译整理
图像传感器的性能不仅受像素密度、动态范围或噪声控制的影响，电源架构同样是决定成像质量与系统稳定性的关键因素。随着分辨率和采集速率的不断提升，电源系统对多轨供电、动态响应和低噪声提出了更高要求。
在安森美半导体发布的《Unlocking the Power of Image Sensor Power Tree》报告中，详细阐述了图像传感器电源架构的设计逻辑、热管理模型与功耗优化策略。
围绕电源拓扑结构、热设计方法和效率对比三个维度，该报告深入解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，并探讨了Buck与LDO两类稳压方案在不同应用场景下的应用逻辑。
这场技术研讨会内容丰富，值得深入学习。
Part 1：电源树的演化——Buck与LDO的协同设计
图像传感器属于对噪声极为敏感的电子系统。每个像素所输出的信号通常在微伏至毫伏级别，一旦电源纹波或瞬态响应不佳，就可能在图像输出端引入固定图案噪声或亮度异常。
在“电源树”设计中，如何在系统效率、噪声抑制与热管理之间取得平衡，成为整个电源架构的核心考量。
Buck与LDO作为两种互补的调节机制，分别承担不同的职责：
- Buck转换器负责将输入高压降至中低压，以较高效率为高电流负载供电；
- LDO（低压差线性稳压器）则用于终端滤波，为模拟前端或像素阵列提供极低噪声的电源轨道。
二者结合，构成了图像传感器电源系统的基本框架。
在原理上，同步Buck转换器通过控制开关器件Q1与Q2的通断，以PWM方式调节输出电压。其效率通常可达90%以上，但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，LDO常用于进一步滤波。
尽管LDO的效率仅为Buck的一半左右，却具备出色的纹波抑制能力与电源抑制比（PSRR），适合为对噪声敏感的电路供电。
例如，在典型的图像传感器电源结构中，VDDIO（3.2V）和VAA（2.8V）通常由Buck供电后再经LDO精细调节，以满足像素阵列和模拟电路的噪声需求；而数字核心电源VDD（1.2V）可直接由DCDC模块供给，以提升效率和散热性能。
这种分层供电结构兼顾了系统稳定性与能量控制，已成为高性能图像传感器的主流架构。
电源树设计的复杂性不仅体现在电压层级，也体现在热分布特性上。由于Buck与LDO的功耗差异，芯片内部可能产生较大的温差。
根据手册中的示例，在VIN=5V，VOUT=1.8V，IOUT=350mA，环境温度为60℃的条件下，LDO的结温可达到107℃，而Buck仅为64.5℃。
若结温长期超过125℃的安全阈值，将严重影响传感器的可靠性与寿命。因此，电源设计工程师在关注电压与噪声的同时，还必须以热阻（RθJA）为关键指标，优化散热路径。
热阻（Theta JA）本质上是结温与环境温度之间的线性关系，用于描述单位功率下结温的上升速率。为确保不同封装与厂商之间热性能的可比性，安森美参考JEDEC JESD51-7标准，采用四层PCB作为统一测试平台。
以NCP163为例，WLCSP4封装的RθJA为108℃/W，而SOT23封装则高达218℃/W。在相同0.5W的功耗下，后者结温将上升约110℃，这对图像传感器模块的热可靠性构成严峻挑战。
因此，电源树的构建不仅是电压调节的问题，更是能量流与热流系统协同的体现。
这种协同体现在三个方面：Buck负责高效能量转换，LDO承担信号级滤波任务，而PCB与封装设计则决定系统在高负载条件下的热稳定性。
Part 2：Hyperlux电源架构——从效率到可靠性的进阶
进入Hyperlux图像传感器时代，电源管理已不再仅仅关乎供电，而是对成像性能释放的直接推动。
安森美推荐采用的NCV92310 PMIC集成了多路DCDC与LDO输出，并在系统层面实现了PSRR与瞬态响应的精准匹配。这一设计体现了对图像质量与系统可靠性的双重追求。
Hyperlux电源树的构建基于模块级热与功耗最坏情况，设定环境温度为60℃，以确保在极端负载下仍能保持关键参数的稳定。
电源抑制比（PSRR）是衡量LDO性能的重要指标，反映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，电源纹波对像素输出信号的干扰越小。
例如，NCP189 LDO凭借80mV的超低压差与±2%的输出精度，为图像传感器的模拟部分提供了低噪声的供电基础。
在能效方面，Buck与LDO之间的差距呈现出明显的分工特征：Buck的90%效率意味着仅10%能量以热形式损耗，而LDO在压差较大的情况下效率可能降至36%左右，约有三分之二的能量转化为热量。
为提升整体效率，工程师通常采用“主Buck+子LDO”模式，在Buck输出端设置中间电压（如3.3V至2.8V），以缩小LDO压差，从而提升系统能效。
除了效率与功率，Hyperlux电源架构还高度重视温度管理。
手册中的计算显示，当LDO在VIN=5V、VOUT=1.8V、IOUT=0.25A条件下运行时，其功耗为0.8W，结温比环境高86.4℃。在环境温度为60℃的条件下，器件温度接近146℃，已接近安全极限（150℃）。
在如车载摄像头或工业视觉系统等高温应用中，必须通过降低负载电流或优化热设计来保障系统的长期可靠性。
为了实现标准化的热性能评估，JEDEC标准在测试中引入了统一的PCB结构（四层FR4板，外层2oz铜，内层1oz铜），安森美也遵循这一规范，使不同产品间的热性能具备可比性。
对系统工程师而言，这意味着在设计选型阶段可以基于RθJA估算结温，从而评估电源树在封装和电路板层面的热余量。
图像传感器在工作过程中负载变化频繁，例如在曝光、读取和数据传输阶段，电流波动可能达到数倍之差。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电源架构因此强调“动态响应时间”与“输出电压偏差”两项指标，通过NCV92310的高速反馈机制与多相同步控制，实现对快速负载变化的精准响应。
从系统视角来看，Hyperlux的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模块负责高效能量传输，LDO提供信号级纯净输出，PMIC则负责全局调度与保护。通过这种多层协同架构，系统能够在复杂光照和高速成像条件下保持高稳定性。
结语
图像传感器的性能边界，往往取决于其电源架构的支撑能力。Buck与LDO的选择不仅涉及电路优化，更是构建系统级能源生态的一部分。
从Hyperlux的电源树中可以发现，当热管理、噪声控制与能效在工程上被系统化量化后，图像系统的稳定性、响应速度和动态范围都获得了显著提升。
对设计者而言，理解电源树不仅是掌握“如何供电”的问题，更是理解“如何塑造图像底层逻辑”的关键。电压精度、PSRR、热阻与结温等参数看似微小，实则决定了传感器能否在高像素、毫秒级采集的现代成像系统中持续可靠运行。