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2021年08月26日 | 解析低压差线性稳压器（LDO）在摄像头应用中的创新设计
2021-08-26 来源： 爱集微
近年来，随着5G、AI、生物识别等技术的不断发展，摄像头也迎来了升级迭代。无论是清晰度还是智能化程度抑或是应用场景，都在不断加强和丰富，远程医疗、远程办公、AI测温、非接触式识别等等。对摄像头而言，实时的清晰图像传输是其运作的基础，因此产品的稳定性、清晰度成为了重要的指标。
手机摄像头供电方案
通常来讲，一个摄像头硬件上包括五个部分：外壳（马达）、镜头、红外滤光片、图像传感器和挠性印刷电路板。图像传感器作为摄像头的核心部件，其组件特别容易被电源干扰，并且电源噪声会影响像素正常捕获光线的能力，导致照片质量不佳。手机作为应用最为广泛的移动智能终端，随着摄像头3D感测技术的发展，手机摄像头应用已经扩展到生物识别、人机交互、AR体验等场景，手机多摄像头的增长需求，更是给电源的设计带来了极大的挑战。
图1 维安LDO手机摄像头供电方案
CMOS Image Sensor（图像传感器）需要三路电源（Core，Analog和I/O），其中2.8V为模拟电压，1.8V为I/O数字电压，1.2V为核电压。此时，通过维安WR0332外置低压差线性稳压器（LDO）为CMOS Image Sensor供电，可将集中在IC的热量分散开，抑制整个电路的发热量，实现高转换效率，有助于进一步降低手机摄像头模块的功耗。特别是应用于 AVDD时，优秀的纹波抑制能力1KHz@70dB，还能显著较少电源线干扰噪声，为CMOS图像传感器稳定供电。另外核电压部分，维安还开发设计了1.0V~1.2V输出的规格，可根据用户的需求选择不同的电压给Core供电。
对于要求低Vin的摄像头模组应用，当前大部分解决方案是使用输入1.8V或者1.6V转输出1.05V/1.1V的LDO，维安的WR0513可以实现1.2V输入电源来提供输出1.05V或1.1V的解决方案。伴随着手机摄像头数量的增加，电池可供给的电量和安装摄像头的空间都会受限， 维安WR0332/WR0341、WR0513系列在兼顾小型化封装DFN-4 1mm*1mm*0.4mm的同时能够很好的解决功耗和供电问题。
图2 维安LDO低Vin输入手机摄像头供电方案
#维安低压差线性稳压器（LDO）
安防监控系统供电方案
安防视频监控系统要求信号实时、连续、清晰，而且图像信号的数据量非常大，需要将模拟摄像机采集到的模拟视频信号编码压缩成数字信号，从而可以直接接入网络交换及路由设备。网络摄像机一般由图像/声音传感器、A/D转换器、图像/声音/控制器网络服务器、外部报警、控制接口、镜头等部分组成。其对系统供电要求非常高，特别是在模拟部分要求低噪声。此时LDO就可以作为完美解决方案。
图3 LDO安防监控系统供电方案
图3为系统电源管理部分的设计，内置的DC/DC转换器电路将12 V直流供电转换成5.0V后，需要多路LDO提供不同电压的输出，给系统的数字电源、模拟电源、主芯片的内核以及IO供电。选用维安LDO为系统供电，可在确保高可靠性的同时实现摄像头模块低EMI和高效率的电源电路。
#维安低压差线性稳压器（LDO）
选型关键参数及主要产品系列
低压差线性稳压器的主要性能参数有漏失电压、瞬态响应、输出精度、PSRR & Noise等。在CMOS Image Sensor 及安防监控系统供电时，对LDO比较敏感的参数主要是PSRR和Noise。LDO的噪声主要有两部分构成，一部分来自输入端前级电路，另一部分则来自LDO自身。前者可通过提高PSRR来抑制外部的噪声干扰。后者就需要通过优化LDO的设计或者引入前馈电容来优化输出Noise。
图4 噪声频谱图
在安防监控系统当中如果带有音频信号的处理应用，那么就需要LDO给麦克风提供偏置电压。由于麦克风微弱的信号在系统中会经过放大和A/D(模数)转换，因此LDO在音频范围内(20 Hz～20 kHz)的Noise的差异会对编解码后的数字音频输出产生较大的影响。
图5 PSRR @ 10 Hz to 10 MHz
CMOS Image Sensor的动态负载范围主要在10kHz到1MHz之间。因此，在较高频率下，高PSRR可改善图像质量。另外PSRR由LDO有源控制；而在高于100 kHz的频率范围，PSRR更多的受到系统中无源器件（电容器、负载电流、PCB布板）的影响。
在系统电路中, 提高纹波抑制能力需要注意以下几点：
1、LDO的选择。根据CMOS Image Sensor对电源PSRR的要求来选择适合的LDO。
2、选择合适的电容器。对于某些陶瓷电容器，实际电容值随直流偏压和应用的工作温度范围而变化，因此增加更多的电容并不一定会改善性能。
3、尽可能留够压降的余量。LDO工作在接近Dropout模式时没有充分的空间来抑制输入纹波信号，会降低PSRR。
4、优化PCB线路。保证布板的合理性及接地环路设计尽可能小，以减少外部纹波的串扰。
史海拾趣
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