安森美工业图像传感器供电方案教程：电源树设计

作者：时间：2026-02-28 来源：安森美

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《工业图像传感器供电方案教程》围绕稳压型降压电源、低压差稳压器（LDO）、Hyperlux CMOS图像传感器等展开讲解。我们已经介绍过——

稳压型降压电源的关键组成部分、降压转换器的工作原理、连续导通与断续导通等

低压差稳压器 (LDO) 的工作原理等

计算热耗散

降压转换器与LDO的优劣对比等

本文将继续介绍电源树的作用、电源树的特性要求、考虑噪声影响等。

电源树的作用

为图像传感器系统选择合适的电源管理元器件时，需借助一种称为电源树（ power tree）的架构设计工具。通过仔细研读各器件规格书，并按正确顺序推导公式，可确保为电源树选配恰当的稳压器件。

电源系统的核心功能——及其所包含的电源稳压器——在于安全地将来自电网或电池的直流输入电压，转换为图像传感器等精密电子元件所需的低压直流电。然而，并不存在适用于所有图像传感器场景的“万能型” 电源稳压器。

关键在于为电源树的每个支路匹配最适宜的元器件。电源树的特性要求电源树需综合解决电源供应的多个性能问题。单一功能的图像传感器应用或许仅需单个稳压器，此时只需查找匹配目标电压、电流及温度规格的器件即可。但若涉及工厂车间的监控采集与网络存储传输，则至少需要三个稳压器（输入电流管理+双路功率分配），多数情况下，需四颗器件协同工作。要实现多器件协同工作，需将各候选器件的规格参数代入对应公式，并从输出端倒推至输入端，来确保所选的器件可以相互兼容且协同工作。为电源树选配的稳压器不仅需满足应用场景中环境温度与结温范围内所需的电压电流值，还需考虑这些器件自身对温度的影响。关键参数是热阻 θJA（安森美（onsemi）数据手册中标记为 RθJA ，部分未支持希腊字符的文档可能显示为 QJA ）。

之所以采用电源树结构来为图像传感器的电源选择合适的稳压器，而不仅仅使用单一的电源节点，是因为工业成像器件通常具备多重功能。处理这些功能的处理器及其供电部分，通常需要满足三种甚至五种电压与电流要求。因此在初级DC-DC转换器与图像传感器之间，还需要设置第二级电源稳压器。在成像电子领域，负责制定微电子行业标准的JEDEC组织将成像设备定义了三个电源域。每个电源域均配备专属电源轨，且具有特定特性：
VDD（1.0 V ‒ 1.25 V）：即"漏极电压"，用于为核心逻辑单元提供必要的供电电压。
VDDIO（常标记为 VDD_IO， 1.8 V ‒ 2.8 V）：用于维持信号电平，使内部电压较低的芯片能够与工作电压更高的其他器件进行通信。
VAA（2.8 V）：专用于模拟电路，该电源轨在电源设计中必须始终被纳入考量，且通常是三者中电压最高的。

若采用LDO稳压器来调节上述三个电压，则每条电源轨都需要一个独立的LDO。此外，还需第四个LDO将输入电源降压后供给这三个LDO。这第四个LDO构成电源树的第一级支路，其余三个LDO则构成第二级支路。

图示：图像传感器应用中典型的电源树结构，采用四个稳压器为三路电源供电。考虑噪声影响图像传感器本质上是由大量模数转换器（A/D）组成的阵列，这些转换器以极快速度将光子转化为电子。模数转换器的分辨率通常为10至14位，若VAA电源存在噪声，其最低有效位（LSB）可能出现抖动现象。通过采用纯净直流电源为VAA供电，可显著抑制这种抖动。

考虑LDO的瞬态响应与输出电压精度当 LDO 所驱动的负载状态发生快速变化时，输出电压（ VOUT ）很可能会出现“毛刺” 或波动。此时的关键任务是将 LDO 的瞬态响应控制在可接受的范围内，通常要求该波动幅度不超过标称值的享5%。

假设某器件由 1V 的 VDD 电源轨供电，其允许的电压容差为享5%（即享50 mV）。根据器件规格，其VOUT精度为享2%。

在瞬态响应期间，当负载升高时 VOUT 会下降，当负载恢复至 1V 时则会出现尖峰。若瞬态响应保持在享40mV 范围内，则属于可接受范围。

但切勿假设 VOUT 精度完美无缺。当考虑上述精度误差时，享2%（即享20mV）的静态精度误差叠加到瞬态响应上，瞬态响应裕度仍可能被突破。

因此必须兼顾两点：优异的瞬态响应性能与精准的 VOUT 精度。

考虑电压轨容差

电源完整性（PI） ——即在常规与极端工况下保障供电稳定性的能力——其两大核心性能指标之一便是电压轨容差。该参数定义了各电压轨（VDDIO、 VDD、 VAA）可承受的最低与最高电压限值。

VDDIO（I/O电源轨）：容差通常为±100 mV，裕量相对宽松；

VAA（模拟电路电源轨）：容差范围±100 mV至±200 mV；

VDD：容差最严苛，依图像传感器规格不同，仅±50 mV至±60 mV。正因VDD的严苛容差，需重点考虑以下两个因素：

标称瞬态响应
瞬态电压波动通常出现在器件响应突变（如开关操作）时。瞬态事件开始时，负载变高导致电压骤降，随后恢复正常。瞬态事件结束时负载恢复正常，电压又会突然升高，随后再次回归常态。通常VDD电源轨可承受享5%的瞬态电压跌落/尖峰。器件的瞬态响应幅值会以毫伏（mV）为单位列出最小值与最大值，并常标注典型承受脉冲时间（μs或ns）。低输出电压精度裕量
瞬态事件结束后，输出电压能否恢复至初始标称值，取决于输出电压精度。用 VOUT Accuracy 表示，以享百分比（%）形式标定。安森美 T30LxPSR165 LDO

安森美的T30LMPSR165和T30LAPSR165是适用于各类电源稳压器的两款兼具多功能与可靠性的 LDO器件。两者均采用安森美Treo双极-CMOS-DMOS（BCD） 65纳米工艺制造，产自其世界级300毫米晶圆厂。

这两款LDO均设计为在1.4V至3.3V输入电压下提供300mA输出电流，具备业界领先的1 μs瞬态响应时间，特别适用于需要高速采样率的图像传感器应用。两者均支持1.0V至3.2V的宽输出电压范围（其中T30LAPSR165特别适用于汽车应用）。

安森美T30LMPSR165 LDO、T30LAPSR165 LDO

T30LxPSR165如何实现优异的瞬态响应

如上两幅图表展示了T30LxPSR165 Treo LDO的实际“尖峰负载” 测试，测试中施加了三个连续的负载波形，分别标记为 #1、 #2 和 #3。请注意， #1与 #2 之间的时间间隔接近 1 微秒（μs）。下方的图表以蓝色显示了 Treo LDO对应的瞬态响应包络线，并以红色显示了性能次佳的竞品 LDO 的响应曲线。理想情况下，任何图像传感器的供电电压都不希望发生任何变化。虽然输出电压（ VOUT ）的瞬态响应无法完全消除，但尽可能减小其幅度和持续时间始终是最佳策略。在这些图表中，最关键的因素是稳定时间（settling time），即 VOUT 需要多长时间才能恢复到负载阶跃前的电压水平。附表清楚地表明，与竞品 LDO 相比， Treo LDO 的稳定速度快了 0.6 微秒。对于像图像传感器这类高灵敏度高速器件而言， 0.6 微秒的差距可谓天壤之别。更快的稳定时间意味着更少的LSB抖动，从而显著降低成像画面中的可见噪声。这种0.6 微秒稳定时间差异带来的画质提升，甚至肉眼可见。应用与测量条件
VIN = 2.95V
VOUT = 2.85V
IOUT = 应用负载曲线 #1 - #3（实际值）
COUT = 750nF
水平时间基准： 1μs/div
垂直电压： 5mV/div

T30LxPSR165如何保持较低芯片结温低压差电压可确保芯片结温 ( TJ )保持在较低水平。大多数 LDO 的规格书中显示其最小压差电压通常在200mV至300mV范围内。当T30LMPSR165 在 60°C环境温度条件下进行测试时，输入电压 VIN 为2.95V，输出电压 VOUT 为2.85V（即压差电压为100mV），其效率达到了 96.6%。该器件经认证可在 1kHz频率下、输出电流 IOUT 为20mA时，提供75dB 的电源抑制比 (PSRR)，同时输出电压噪声 VN 低至惊人的 16μVRMS。这些优异特性使得芯片结温 TJ 仅为63°C，仅比环境温度高出3°C。