图像传感器的能量管理解析：从电源树到成像系统
芝能智芯出品
图像传感器的性能并不仅仅取决于像素数量、动态范围或噪声水平，其电源架构同样是影响成像质量与系统稳定性的关键因素。随着分辨率与帧率的不断提升，电源需求逐渐呈现出多轨供电、高动态响应以及低噪声的复杂特征。
安森美半导体（onsemi）在其技术文档《Unlocking the Power of Image Sensor Power Tree》中，对图像传感器电源树的设计理念、热管理模型以及功耗优化策略进行了系统阐述。
文章围绕电源拓扑结构、热设计及效率对比三个方面，深入探讨了电源树如何支撑Hyperlux系列图像传感器实现低噪声、高稳定性成像，并分析了Buck与LDO两种关键稳压方案在不同工况下的应用逻辑。
Buck与LDO的协同演化
图像传感器属于高度敏感的电子系统，每个像素的信号幅度通常在微伏至毫伏之间。一旦电源纹波或瞬态响应不足，就可能在输出图像中引入固定图案噪声或亮度偏移。
在电源树的设计中，如何在效率、噪声与热性能之间取得平衡，成为系统架构的核心挑战。
Buck与LDO作为两种互补的能量调节机制，在现代电源系统中各司其职：
- Buck转换器负责将高压降至中低电压，以高效率为大电流负载供电；
- LDO（低压差线性稳压器）则承担最终级滤波任务，为模拟前端或像素阵列提供极低噪声的供电。
二者的结合构成了图像传感器电源树的基本架构。
从原理上讲，同步Buck转换器通过控制两个开关器件的导通与关断，以PWM方式调节输出电压，其效率可达90%以上。然而，在高频切换中容易引入电磁干扰（EMI），因此在靠近成像区域的电源路径中，通常需要LDO进行二次滤波。
LDO虽然效率较低（通常仅为Buck的一半），但在电流稳定状态下能够有效抑制纹波与噪声，具备出色的电源抑制比（PSRR）。
例如，在典型图像传感器电源架构中，VDDIO（3.2V）和VAA（2.8V）通常由Buck转换器供电，随后通过LDO进一步调整电压，以满足像素阵列和模拟电路对噪声的严格要求。而数字核电源VDD（1.2V）则可以直接由DCDC输出，以优先保障效率和热管理。
这种分层供电结构在稳定性和能耗控制之间取得了良好平衡，是当前高性能图像传感器的主流方案。
热设计与热阻分析
电源树的复杂性不仅体现在电压层级，也体现在热分布。Buck与LDO在功耗上的差异，导致芯片内部热分布不均。
手册中给出的例子显示，在VIN=5V、VOUT=1.8V、IOUT=350mA、环境温度60℃条件下，LDO的结温约为107℃，而Buck的结温则为64.5℃。
如果结温长期高于125℃的安全阈值，将对系统可靠性与寿命造成严重影响。因此，电源设计工程师在关注电压和噪声的同时，还需以热阻（RθJA）为关键指标，优化散热路径。
热阻（Theta JA）是结温与环境温度之间的线性函数，反映单位功耗下结温升高的速率。安森美依据JEDEC JESD51-7标准定义了统一的测试条件，采用四层PCB结构进行热性能测试，确保不同封装与厂商之间的数据具备可比性。
例如，NCP163的WLCSP4封装热阻为108℃/W，而SOT23封装则高达218℃/W。这意味着在相同0.5W功耗下，后者结温将上升近110℃，这对图像传感器模块的热可靠性设计提出了更高要求。
电源树的构建本质上不仅是降压与稳压的组合，更是一种能量流与热流的系统协同。这种协同体现在三个层面：Buck负责高效能量调度，LDO负责信号纯净度，而PCB与封装设计则决定了系统在高负载条件下的热稳定性。
Hyperlux电源架构与系统优化
在Hyperlux图像传感器时代，电源管理不再仅是“供电”问题，而是“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，并在系统级别实现了PSRR与瞬态响应的精确匹配，为图像质量与系统可靠性提供了双重保障。
Hyperlux的电源树设计以模块级热与功耗的最坏情况为基准，环境温度设定为60℃，确保在极端负载条件下仍能维持参数稳定。
对于成像系统来说，LDO的PSRR是衡量其性能的重要指标。PSRR越高，意味着电源纹波在像素输出信号中产生的干扰越小。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电源基础。
Buck与LDO在效率方面展现出明显的分工。Buck转换器90%的效率意味着仅10%的能量以热的形式损失，而当LDO工作于较大压差下时，效率可能降至36%，即三分之二的能量转化为热量。
为提升整体能效，工程师常采用“主Buck+子LDO”架构，在Buck输出端设置中间电压（例如3.3V至2.8V之间），从而缩小LDO压差，提高整体系统效率。
温度管理同样是Hyperlux设计中的重要考量。手册中的计算数据显示，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60℃环境温度下，器件温度接近146℃，已接近150℃的绝对安全上限。
在车载摄像头或工业视觉系统等高温应用场景中，必须通过降低电流负载或优化热设计来确保系统的长期可靠性。
为确保数据的可比性，JEDEC标准在热阻测试中引入了统一的PCB结构（四层FR4，外层2oz，内层1oz）。安森美遵循此标准，使不同产品的热性能数据具备横向比较的基础。这对系统工程师而言，意味着可在设计初期直接根据RθJA估算结温，评估电源树在封装与板级层面的热裕量。
此外，成像模块中的负载变化极为迅速。在曝光、数据读取与传输等不同阶段，负载电流波动可达数倍。LDO的瞬态响应速度直接决定了电压恢复时间，从而影响成像稳定性。
Hyperlux电源树因此特别强调“动态响应时间”与“输出电压偏差”两个关键指标。通过NCV92310的高速反馈回路与多相同步控制，系统可对负载波动做出快速而精准的响应。
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负责高效能量转换，LDO提供信号级纯净输出，PMIC则协调整个系统的调度与保护。通过这种多层次的电源架构，成像系统可在高光照、高帧率等极端条件下仍保持稳定性能。
总结
图像传感器的性能上限，往往受限于其电源架构的下限。Buck与LDO的选用，不仅是电路层面的优化，更关乎整个系统的能量生态。
从Hyperlux的电源树设计中可以看出，当热、噪声与效率在工程层面被精确量化与平衡后，成像系统的可靠性、响应速度与动态范围均得到显著提升。
对设计人员而言，理解电源树不仅仅是了解“如何供电”，更是掌握“如何构建图像底层系统”。电压精度、PSRR、热阻与结温，这些看似微小的参数，决定了图像传感器能否在高像素、高帧率的工业与消费级应用中稳定运行。
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