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基于石墨烯散热的8K智能摄像头

作者:张治军(深圳康佳电子科技有限公司,深圳 518057)时间:2023-01-19来源:电子产品世界收藏
编者按:设计了一款基于石墨烯散热的8 K智能摄像头,主控采用瑞芯微RK3588,传感器采用索尼IMX435,通过HDMI2.1将传感器采集到的图像发送到8 K显示器,实现端到端的8 K呈现,为了确保摄像头性能稳定,本设计采用石墨烯散热。


本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202301/442763.htm

0   引言

随着4K电视(分辨率:3 840×2 160,约800 万像素)的普及,和人们对画质的极限追求,电视(分辨率:7 680×4 320,约3 300 万像素)已成为研究热点。为了适应电视的需求,本文设计了一款基于散热的,相对于4 K 摄像头,摄像头的色彩饱和度、层次感均有大幅的提升。由于摄像头体积小、芯片发热量大,对散热要求极高,因此本文采用散热效果较好的材料对产品散热。

本文开发基于散热的8 K 画质效果好,性能稳定,散热效果好,具有极好的应用和发展前景。本文重点介绍摄像头硬件主要电路开发和石墨烯散热设计方案。

1   硬件设计

主控采用瑞芯微RK3588,传感器采用索尼IMX435,散热使用石墨烯。传感器IMX435 将采集的图像信息通过MIPI 信号传送到主控 RK3588,主控对接收到的图像进行编解码后通过HDMI2.1 发送到电视,电视显示实时图像信息,从而实现摄像头到电视8 K 极高清呈现。智能摄像头信号流图如下:

1.1 RK3588介绍

RV3588 采用第四代编解码技术,内部晶体管高达60 亿,NPU 算力6 TOPs,采用八核(4×Cortex-A76 + 4×Cortex-A55)64 位大小核架构,主频支持2.4 GHz 和1.8 GHz,性能和功耗完美结合。RK3588采用瑞芯微第三代影像视觉处理技术,内部集成了8KISP,支持多摄像头接入、宽动态对比度增强、3D 降噪畸变矫正等技术。芯片内置丰富的高速接口如:USB3.1、USB2.0、PCIe3.0、PCIe2.0、、TYPE-C 等,易于扩展,系统支持Android、Linux OS。

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1.2 IMX435 介绍

索尼IMX435 最高支持8K@60, 性价比较高的节能型CMOS 传感器,自然转换增益技术可以使IMX435在黑暗中SNR 更高, 芯片还支持ISO50、ISO200、ISO800、ISO12800、ISO102400、ISO1638.4 K 等6 个原生感光度设定。

1.3 石墨烯散热

石墨烯是一种未来革命性的材料,具有极好的热传导性能,用在芯片散热上散热效果极佳,大大提升芯片的稳定性。石墨烯是目前导热系数最高的碳材料,导热系数高达5 300 W/mK。

1.4 硬件设计

智能摄像头硬件电路主要包括主控电路、传感器电路、电源电路、时钟复位电路等。硬件电路如图2:

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其中,整个系统通过5 V/2 A 电源适配器供电,复位和时钟电路能保证系统正常工作,DDR 是随机存储器,Flash是用来存储程序的。智能摄像头通过传感器索尼IMX435 采集图像信息,通过MIPI 信号把采集的图像信息传输到主控RK3588,主控对收到的图像信息进行编解码,然后通过HDMI2.1 接口发送图像到8K 电视上,从而实现端到端的8 K 呈现。为了使主控芯片、传感器芯片和系统稳定,本设计使用石墨烯对芯片散热,完美的解决了芯片散热问题。

RV3588芯片24 MHz晶振和内部反馈电路共同构成了系统的时钟电路,芯片的nPOR 引脚低电平有效,用来实现芯片复位,复位时间大于4 μs 可以保证芯片稳定工作。芯片有两个PLL 的电源,分别是PLL_AVDD_0V8 和PLL_AVDD_1V8,电源去耦电容设计上必须靠近管脚的位置摆放,为防止干扰PLL 必须单独供电。芯片CPU 电源的核电压是0V8,电源芯片LDO 供电能力大于1A5,PCB 布局时,电容必须靠近芯片引脚,否则系统会不稳定。芯片Logic 和NPU 电源的核电压是0V8,电源芯片LDO 供电能力大于2 A,PCB 布局时,电容必须靠近芯片引脚,否则系统会不稳定。LPDDR4 电压值是1.1 V,DDR 颗粒的电源必须要采用同一电源网络,电容靠近芯片放置,VCC_DDR 通过分压电阻产生Vref_CA 电压,分压电阻精度要求使用1% 的精密电阻。

晶振的XIN、XOUT 信号在PCB 设计时走线全程做包地处理,并保证这些信号有完整的参考地, 晶体电路下方不能电源线或有高速信号穿过,并且不超过两个过孔,晶振靠近主控放置。DDR 组内的不同信号线之间和组间两相邻信号线均要保持“3 W”原则,CLKP、CLKN 差分对线长误差小于5 mil,DQS、DM和DATA 的线长误差小于10 mil,DQSnP、DQSnM 差分对线长误差小于5 mil。FLASH 保持信号参考平面完整避免信号走线穿越电源分割区域,相邻信号走线间距保持“3 W”原则。

传感器 MIPI 差分信号并保持GND 参考平面完整,差分对等长且小于5 mil,差分对的PCB 走线控制差分阻抗100 Ω±10%,控制器电源的去耦电容请靠近管脚放置,差分对与其他信号的间距遵循3 W 原则。

4   结束语

本文设计了一款基于石墨烯散热的8 K智能摄像头,通HDMI2.1 接口直连电视,给用户8 K 端到端极高清的完美呈现。为了确保摄像头性能稳定,本设计采用石墨烯对芯片散热。

参考文献:

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(本文来源于《电子产品世界》杂志2023年1月期)



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