《工業圖像傳感器供電方案教程》圍繞穩壓型降壓電源、低壓差穩壓器(LDO)、Hyperlux CMOS圖像傳感器等展開講解。我們已經介紹過——

穩壓型降壓電源的關鍵組成部分、降壓轉換器的工作原理、連續導通與斷續導通等

低壓差穩壓器 (LDO) 的工作原理等

計算熱耗散

降壓轉換器與LDO的優劣對比等

本文將繼續介紹電源樹的作用、電源樹的特性要求、考慮噪聲影響等。

電源樹的作用

為圖像傳感器系統選擇合適的電源管理元器件時， 需借助一種稱為電源樹( power tree) 的架構設計工具。 通過仔細研讀各器件規格書，并按正確順序推導公式， 可確保為電源樹選配恰當的穩壓器件。

電源系統的核心功能——及其所包含的電源穩壓器——在于安全地將來自電網或電池的直流輸入電壓， 轉換為圖像傳感器等精密電子元件所需的低壓直流電。 然而， 并不存在適用于所有圖像傳感器場景的“萬能型” 電源穩壓器。

關鍵在于為電源樹的每個支路匹配最適宜的元器件。

電源樹的特性要求

電源樹需綜合解決電源供應的多個性能問題。 單一功能的圖像傳感器應用或許僅需單個穩壓器， 此時只需查找匹配目標電壓、 電流及溫度規格的器件即可。 但若涉及工廠車間的監控采集與網絡存儲傳輸， 則至少需要三個穩壓器(輸入電流管理+雙路功率分配)， 多數情況下， 需四顆器件協同工作。

要實現多器件協同工作， 需將各候選器件的規格參數代入對應公式， 并從輸出端倒推至輸入端， 來確保所選的器件可以相互兼容且協同工作。

為電源樹選配的穩壓器不僅需滿足應用場景中環境溫度與結溫范圍內所需的電壓電流值， 還需考慮這些器件自身對溫度的影響。 關鍵參數是熱阻 θJA(安森美(onsemi)數據手冊中標記為 RθJA ， 部分未支持希臘字符的文檔可能顯示為 QJA )。

之所以采用電源樹結構來為圖像傳感器的電源選擇合適的穩壓器， 而不僅僅使用單一的電源節點， 是因為工業成像器件通常具備多重功能。 處理這些功能的處理器及其供電部分， 通常需要滿足三種甚至

五種電壓與電流要求。 因此在初級DC-DC轉換器與圖像傳感器之間， 還需要設置第二級電源穩壓器。

在成像電子領域， 負責制定微電子行業標準的JEDEC組織將成像設備定義了三個電源域。

每個電源域均配備專屬電源軌， 且具有特定特性：

VDD(1.0 V ? 1.25 V) ： 即"漏極電壓"， 用于為核心邏輯單元提供必要的供電電壓。

VDDIO(常標記為 VDD_IO， 1.8 V ? 2.8 V) ： 用于維持信號電平， 使內部電壓較低的芯片能夠與工作電壓更高的其他器件進行通信。

VAA(2.8 V) ： 專用于模擬電路， 該電源軌在電源設計中必須始終被納入考量， 且通常是三者中電壓最高的。

若采用LDO穩壓器來調節上述三個電壓， 則每條電源軌都需要一個獨立的LDO。 此外， 還需第四個LDO將輸入電源降壓后供給這三個LDO。 這第四個LDO構成電源樹的第一級支路， 其余三個LDO則構成第二級支路。

圖示： 圖像傳感器應用中典型的電源樹結構， 采用四個穩壓器為三路電源供電。

考慮噪聲影響

圖像傳感器本質上是由大量模數轉換器(A/D) 組成的陣列， 這些轉換器以極快速度將光子轉化為電子。 模數轉換器的分辨率通常為10至14位， 若VAA電源存在噪聲， 其最低有效位(LSB) 可能出現抖動現象。 通過采用純凈直流電源為VAA供電， 可顯著抑制這種抖動。

考慮LDO的瞬態響應與輸出電壓精度

當 LDO 所驅動的負載狀態發生快速變化時， 輸出電壓( VOUT ) 很可能會出現“毛刺” 或波動。 此時的關鍵任務是將 LDO 的瞬態響應控制在可接受的范圍內， 通常要求該波動幅度不超過標稱值的享5%。

假設某器件由 1V 的 VDD 電源軌供電， 其允許的電壓容差為享5%(即享50 mV)。 根據器件規格， 其VOUT精度為享2%。

在瞬態響應期間， 當負載升高時 VOUT 會下降， 當負載恢復至 1V 時則會出現尖峰。 若瞬態響應保持在享40mV 范圍內， 則屬于可接受范圍。

但切勿假設 VOUT 精度完美無缺。 當考慮上述精度誤差時， 享2%(即享20mV) 的靜態精度誤差疊加到瞬態響應上， 瞬態響應裕度仍可能被突破。

因此必須兼顧兩點： 優異的瞬態響應性能與精準的 VOUT 精度。

考慮電壓軌容差

電源完整性(PI) ——即在常規與極端工況下保障供電穩定性的能力——其兩大核心性能指標之一便是電壓軌容差。該參數定義了各電壓軌(VDDIO、 VDD、 VAA)可承受的最低與最高電壓限值。

VDDIO(I/O電源軌) ：容差通常為±100 mV， 裕量相對寬松;

VAA(模擬電路電源軌) ：容差范圍±100 mV至±200 mV;

VDD：容差最嚴苛， 依圖像傳感器規格不同， 僅±50 mV至±60 mV。 正因VDD的嚴苛容差， 需重點考慮以下兩個因素：

標稱瞬態響應

瞬態電壓波動通常出現在器件響應突變(如開關操作) 時。 瞬態事件開始時， 負載變高導致電壓驟降， 隨后恢復正常。 瞬態事件結束時負載恢復正常， 電壓又會突然升高， 隨后再次回歸常態。 通常VDD電源軌可承受享5%的瞬態電壓跌落/尖峰。 器件的瞬態響應幅值會以毫伏(mV) 為單位列出最小值與最大值， 并常標注典型承受脈沖時間(μs或ns) 。

低輸出電壓精度裕量

瞬態事件結束后， 輸出電壓能否恢復至初始標稱值， 取決于輸出電壓精度。 用 VOUT Accuracy 表示， 以享百分比(%) 形式標定。

安森美 T30LxPSR165 LDO

安森美的T30LMPSR165和T30LAPSR165是適用于各類電源穩壓器的兩款兼具多功能與可靠性的 LDO器件。 兩者均采用安森美Treo雙極-CMOS-DMOS(BCD) 65納米工藝制造， 產自其世界級300毫米晶圓廠。

這兩款LDO均設計為在1.4V至3.3V輸入電壓下提供300mA輸出電流， 具備業界領先的1 μs瞬態響應時間， 特別適用于需要高速采樣率的圖像傳感器應用。 兩者均支持1.0V至3.2V的寬輸出電壓范圍(其中T30LAPSR165特別適用于汽車應用) 。

安森美T30LMPSR165 LDO、T30LAPSR165 LDO

T30LxPSR165如何實現優異的瞬態響應

如上兩幅圖表展示了T30LxPSR165 Treo LDO的實際“尖峰負載” 測試， 測試中施加了三個連續的負載波形， 分別標記為 #1、 #2 和 #3。 請注意， #1與 #2 之間的時間間隔接近 1 微秒(μs) 。 下方的圖表以藍色顯示了 Treo LDO對應的瞬態響應包絡線， 并以紅色顯示了性能次佳的競品 LDO 的響應曲線。

理想情況下， 任何圖像傳感器的供電電壓都不希望發生任何變化。 雖然輸出電壓( VOUT ) 的瞬態響應無法完全消除， 但盡可能減小其幅度和持續時間始終是最佳策略。 在這些圖表中， 最關鍵的因素是穩定時間(settling time)， 即 VOUT 需要多長時間才能恢復到負載階躍前的電壓水平。 附表清楚地表明， 與競品 LDO 相比， Treo LDO 的穩定速度快了 0.6 微秒。 對于像圖像傳感器這類高靈敏度高速器件而言， 0.6 微秒的差距可謂天壤之別。 更快的穩定時間意味著更少的LSB抖動， 從而顯著降低成像畫面中的可見噪聲。 這種0.6 微秒穩定時間差異帶來的畫質提升， 甚至肉眼可見。

應用與測量條件

VIN = 2.95V

VOUT = 2.85V

IOUT = 應用負載曲線 #1 - #3(實際值)

COUT = 750nF

水平時間基準： 1μs/div

垂直電壓： 5mV/div

T30LxPSR165如何保持較低芯片結溫

低壓差電壓可確保芯片結溫 ( TJ )保持在較低水平。 大多數 LDO 的規格書中顯示其最小壓差電壓通常在200mV至300mV范圍內。 當T30LMPSR165 在 60°C環境溫度條件下進行測試時， 輸入電壓 VIN 為2.95V， 輸出電壓 VOUT 為2.85V(即壓差電壓為100mV) ， 其效率達到了 96.6%。 該器件經認證可在 1kHz頻率下、 輸出電流 IOUT 為20mA時， 提供75dB 的電源抑制比 (PSRR)， 同時輸出電壓噪聲 VN 低至驚人的 16μVRMS。 這些優異特性使得芯片結溫 TJ 僅為63°C， 僅比環境溫度高出3°C。

通過優化PSRR將輸出紋波降至最低

電壓噪聲與PSR

在器件數據手冊中， 噪聲性能主要通過兩項關鍵指標進行評估： 第一項指標記錄器件在10Hz至100kHz頻率范圍內的總噪聲電壓。 此項數值越低，性能越好。 針對VAA電源軌(模擬電源)， 應選擇低噪聲輸出的LDO， 理想情況下其均方根值(RMS) 應低于20μV。 此參數在數據手冊中通常標注為"VRMS"。

電源抑制比(PSRR)

第二項噪聲指標采用分貝(dB)單位(源自貝爾單位) 來量化器件對輸入噪聲的抑制能力。 數據手冊中將其標記為PSRR(Power Supply Rejection Ratio， 電源抑制比)， 表征器件抑制輸入紋波傳遞至輸出的能力。 該參數通常在1kHz輸入噪聲頻率條件下進行標定。

尋找低噪聲LDO的最佳平衡點

未完待續，后續將介紹Hyperlux CMOS圖像傳感器。