工业图像传感器供电设计：降压转换器原理与选型要点

在工业相机系统中，电源设计直接影响图像传感器的噪声性能、动态范围和长期可靠性。由于CMOS图像传感器内部包含模拟前端、ADC、数字逻辑和高速接口等多个功能模块，各部分对电源电压、纹波和瞬态响应的要求差异显著，通常需采用多路独立稳压电源供电。本文从工程实践角度，解析降压转换器（Buck Converter）的核心工作原理、损耗机制及在图像传感器供电中的关键考量。

为什么选择开关电源而非LDO？

虽然LDO结构简单、输出噪声低，但其效率受限于压差（η ≈ VOUT/VIN）。例如，5V转1.8V时理论效率仅36%，多余功率以热形式耗散，在多路供电系统中将导致严重温升。而同步降压转换器效率通常可达85%～95%，大幅降低热管理难度，更适合为高电流数字核（如ISP、SerDes）供电。

同步降压转换器工作原理

同步Buck由高侧MOSFET（Q1）、低侧MOSFET（Q2）、电感L和输出电容C组成。其输出电压由占空比D决定：

Q1导通阶段：VIN通过Q1向电感充电，电感电流上升；

Q1关断、Q2导通阶段：电感释放能量，通过Q2续流，电流下降；

死区时间：防止Q1与Q2直通，但会引入体二极管导通损耗。

输出纹波主要由电感电流峰峰值（ΔIL）和输出电容ESR决定。提高开关频率（如2MHz）可减小ΔIL，从而降低所需电容值，但会增加开关损耗与EMI。

CCM vs DCM：负载依赖的工作模式

连续导通模式（CCM）：中高负载下，电感电流始终 >0。优点是输出纹波小、控制线性度好，适合对电源噪声敏感的模拟电路（如像素阵列偏置）。

断续导通模式（DCM）：轻载时电感电流归零。此时采用PFM调制，关断部分周期以降低开关损耗，但纹波增大、频谱离散，可能干扰图像信号。

高端图像传感器电源常采用强制CCM或多相架构，确保全负载范围内低噪声。

功率损耗来源与效率优化

总损耗主要包括：

导通损耗： 

开关损耗：与开关频率、栅极驱动强度相关，可通过优化dV/dt平衡EMI与损耗；

静态损耗：包括控制器IQ和自举电路功耗，轻载效率的关键瓶颈。

以安森美FAN65004B为例，在5V→1.8V/350mA条件下效率达90%，输入电流仅140mA（远低于LDO的350mA），显著降低系统输入端电流应力。

图像传感器供电设计建议

模拟电源轨（AVDD）：优先选用低噪声LDO或带后级LC滤波的Buck，纹波<10mVpp；

数字核心（DVDD）：采用高频同步Buck，支持快速负载瞬态响应；

隔离布局：不同电源域的地平面应单点连接，避免数字噪声耦合至模拟区域；

去耦策略：每电源引脚就近放置0.1μF + 10μF陶瓷电容，抑制高频噪声。

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