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

穩(wěn)壓型降壓電源的關(guān)鍵組成部分、降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理、連續(xù)導(dǎo)通與斷續(xù)導(dǎo)通等

低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 的工作原理等

計算熱耗散

降壓轉(zhuǎn)換器與LDO的優(yōu)劣對比等

本文將繼續(xù)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(tǒng)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(gòu)設(shè)計工具。 通過仔細(xì)研讀各器件規(guī)格書，并按正確順序推導(dǎo)公式， 可確保為電源樹選配恰當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓器件。

電源系統(tǒng)的核心功能——及其所包含的電源穩(wěn)壓器——在于安全地將來自電網(wǎng)或電池的直流輸入電壓， 轉(zhuǎn)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(wěn)壓器。

關(guān)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(yīng)的多個性能問題。 單一功能的圖像傳感器應(yīng)用或許僅需單個穩(wěn)壓器， 此時只需查找匹配目標(biāo)電壓、 電流及溫度規(guī)格的器件即可。 但若涉及工廠車間的監(jiān)控采集與網(wǎng)絡(luò)存儲傳輸， 則至少需要三個穩(wěn)壓器(輸入電流管理+雙路功率分配)， 多數(shù)情況下， 需四顆器件協(xié)同工作。

要實現(xiàn)多器件協(xié)同工作， 需將各候選器件的規(guī)格參數(shù)代入對應(yīng)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(xié)同工作。

為電源樹選配的穩(wěn)壓器不僅需滿足應(yīng)用場景中環(huán)境溫度與結(jié)溫范圍內(nèi)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(guān)鍵參數(shù)是熱阻 θJA(安森美(onsemi)數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)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(jié)構(gòu)來為圖像傳感器的電源選擇合適的穩(wěn)壓器， 而不僅僅使用單一的電源節(jié)點， 是因為工業(yè)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(zhuǎn)換器與圖像傳感器之間， 還需要設(shè)置第二級電源穩(wěn)壓器。

在成像電子領(lǐng)域， 負(fù)責(zé)制定微電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的JEDEC組織將成像設(shè)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(biāo)記為 VDD_IO， 1.8 V ? 2.8 V) ： 用于維持信號電平， 使內(nèi)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(shè)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(wěn)壓器來調(diào)節(jié)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(gòu)成電源樹的第一級支路， 其余三個LDO則構(gòu)成第二級支路。

圖示： 圖像傳感器應(yīng)用中典型的電源樹結(jié)構(gòu)， 采用四個穩(wěn)壓器為三路電源供電。

考慮噪聲影響

圖像傳感器本質(zhì)上是由大量模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D) 組成的陣列， 這些轉(zhuǎn)換器以極快速度將光子轉(zhuǎn)化為電子。 模數(shù)轉(zhuǎn)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(xiàn)抖動現(xiàn)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(tài)響應(yīng)與輸出電壓精度

當(dāng) LDO 所驅(qū)動的負(fù)載狀態(tài)發(fā)生快速變化時， 輸出電壓( VOUT ) 很可能會出現(xiàn)“毛刺” 或波動。 此時的關(guān)鍵任務(wù)是將 LDO 的瞬態(tài)響應(yīng)控制在可接受的范圍內(nèi)， 通常要求該波動幅度不超過標(biāo)稱值的享5%。

假設(shè)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(jù)器件規(guī)格， 其VOUT精度為享2%。

在瞬態(tài)響應(yīng)期間， 當(dāng)負(fù)載升高時 VOUT 會下降， 當(dāng)負(fù)載恢復(fù)至 1V 時則會出現(xiàn)尖峰。 若瞬態(tài)響應(yīng)保持在享40mV 范圍內(nèi)， 則屬于可接受范圍。

但切勿假設(shè) VOUT 精度完美無缺。 當(dāng)考慮上述精度誤差時， 享2%(即享20mV) 的靜態(tài)精度誤差疊加到瞬態(tài)響應(yīng)上， 瞬態(tài)響應(yīng)裕度仍可能被突破。

因此必須兼顧兩點： 優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)性能與精準(zhǔn)的 VOUT 精度。

考慮電壓軌容差

電源完整性(PI) ——即在常規(guī)與極端工況下保障供電穩(wěn)定性的能力——其兩大核心性能指標(biāo)之一便是電壓軌容差。該參數(shù)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(yán)苛， 依圖像傳感器規(guī)格不同， 僅±50 mV至±60 mV。 正因VDD的嚴(yán)苛容差， 需重點考慮以下兩個因素：

標(biāo)稱瞬態(tài)響應(yīng)

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

低輸出電壓精度裕量

瞬態(tài)事件結(jié)束后， 輸出電壓能否恢復(fù)至初始標(biāo)稱值， 取決于輸出電壓精度。 用 VOUT Accuracy 表示， 以享百分比(%) 形式標(biāo)定。

安森美 T30LxPSR165 LDO

安森美的T30LMPSR165和T30LAPSR165是適用于各類電源穩(wěn)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(chǎn)自其世界級300毫米晶圓廠。

這兩款LDO均設(shè)計為在1.4V至3.3V輸入電壓下提供300mA輸出電流， 具備業(yè)界領(lǐng)先的1 μs瞬態(tài)響應(yīng)時間， 特別適用于需要高速采樣率的圖像傳感器應(yīng)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(yīng)用) 。

安森美T30LMPSR165 LDO、T30LAPSR165 LDO

T30LxPSR165如何實現(xiàn)優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)

如上兩幅圖表展示了T30LxPSR165 Treo LDO的實際“尖峰負(fù)載” 測試， 測試中施加了三個連續(xù)的負(fù)載波形， 分別標(biāo)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(lán)色顯示了 Treo LDO對應(yīng)的瞬態(tài)響應(yīng)包絡(luò)線， 并以紅色顯示了性能次佳的競品 LDO 的響應(yīng)曲線。

理想情況下， 任何圖像傳感器的供電電壓都不希望發(fā)生任何變化。 雖然輸出電壓( VOUT ) 的瞬態(tài)響應(yīng)無法完全消除， 但盡可能減小其幅度和持續(xù)時間始終是最佳策略。 在這些圖表中， 最關(guān)鍵的因素是穩(wěn)定時間(settling time)， 即 VOUT 需要多長時間才能恢復(fù)到負(fù)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(wěn)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(wěn)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(wěn)定時間差異帶來的畫質(zhì)提升， 甚至肉眼可見。

應(yīng)用與測量條件

VIN = 2.95V

VOUT = 2.85V

IOUT = 應(yīng)用負(fù)載曲線 #1 - #3(實際值)

COUT = 750nF

水平時間基準(zhǔn)： 1μs/div

垂直電壓： 5mV/div

T30LxPSR165如何保持較低芯片結(jié)溫

低壓差電壓可確保芯片結(jié)溫 ( TJ )保持在較低水平。 大多數(shù) LDO 的規(guī)格書中顯示其最小壓差電壓通常在200mV至300mV范圍內(nèi)。 當(dāng)T30LMPSR165 在 60°C環(huán)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(jīng)認(rèn)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(yōu)異特性使得芯片結(jié)溫 TJ 僅為63°C， 僅比環(huán)境溫度高出3°C。

通過優(yōu)化PSRR將輸出紋波降至最低

電壓噪聲與PSR

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

電源抑制比(PSRR)

第二項噪聲指標(biāo)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(shù)據(jù)手冊中將其標(biāo)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(shù)通常在1kHz輸入噪聲頻率條件下進行標(biāo)定。

尋找低噪聲LDO的最佳平衡點

未完待續(xù)，后續(xù)將介紹Hyperlux CMOS圖像傳感器。