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基于石墨烯散熱的8K智能攝像頭

作者:張治軍(深圳康佳電子科技有限公司,深圳 518057)時間:2023-01-19來源:電子產品世界收藏
編者按:設計了一款基于石墨烯散熱的8 K智能攝像頭,主控采用瑞芯微RK3588,傳感器采用索尼IMX435,通過HDMI2.1將傳感器采集到的圖像發送到8 K顯示器,實現端到端的8 K呈現,為了確保攝像頭性能穩定,本設計采用石墨烯散熱。


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

0   引言

隨著4K電視(分辨率:3 840×2 160,約800 萬像素)的普及,和人們對畫質的極限追求,電視(分辨率:7 680×4 320,約3 300 萬像素)已成為研究熱點。為了適應電視的需求,本文設計了一款基于散熱的,相對于4 K 攝像頭,攝像頭的色彩飽和度、層次感均有大幅的提升。由于攝像頭體積小、芯片發熱量大,對散熱要求極高,因此本文采用散熱效果較好的材料對產品散熱。

本文開發基于散熱的8 K 畫質效果好,性能穩定,散熱效果好,具有極好的應用和發展前景。本文重點介紹攝像頭硬件主要電路開發和石墨烯散熱設計方案。

1   硬件設計

主控采用瑞芯微RK3588,傳感器采用索尼IMX435,散熱使用石墨烯。傳感器IMX435 將采集的圖像信息通過MIPI 信號傳送到主控 RK3588,主控對接收到的圖像進行編解碼后通過HDMI2.1 發送到電視,電視顯示實時圖像信息,從而實現攝像頭到電視8 K 極高清呈現。智能攝像頭信號流圖如下:

1.1 RK3588介紹

RV3588 采用第四代編解碼技術,內部晶體管高達60 億,NPU 算力6 TOPs,采用八核(4×Cortex-A76 + 4×Cortex-A55)64 位大小核架構,主頻支持2.4 GHz 和1.8 GHz,性能和功耗完美結合。RK3588采用瑞芯微第三代影像視覺處理技術,內部集成了8KISP,支持多攝像頭接入、寬動態對比度增強、3D 降噪畸變矯正等技術。芯片內置豐富的高速接口如:USB3.1、USB2.0、PCIe3.0、PCIe2.0、、TYPE-C 等,易于擴展,系統支持Android、Linux OS。

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1.2 IMX435 介紹

索尼IMX435 最高支持8K@60, 性價比較高的節能型CMOS 傳感器,自然轉換增益技術可以使IMX435在黑暗中SNR 更高, 芯片還支持ISO50、ISO200、ISO800、ISO12800、ISO102400、ISO1638.4 K 等6 個原生感光度設定。

1.3 石墨烯散熱

石墨烯是一種未來革命性的材料,具有極好的熱傳導性能,用在芯片散熱上散熱效果極佳,大大提升芯片的穩定性。石墨烯是目前導熱系數最高的碳材料,導熱系數高達5 300 W/mK。

1.4 硬件設計

智能攝像頭硬件電路主要包括主控電路、傳感器電路、電源電路、時鐘復位電路等。硬件電路如圖2:

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其中,整個系統通過5 V/2 A 電源適配器供電,復位和時鐘電路能保證系統正常工作,DDR 是隨機存儲器,Flash是用來存儲程序的。智能攝像頭通過傳感器索尼IMX435 采集圖像信息,通過MIPI 信號把采集的圖像信息傳輸到主控RK3588,主控對收到的圖像信息進行編解碼,然后通過HDMI2.1 接口發送圖像到8K 電視上,從而實現端到端的8 K 呈現。為了使主控芯片、傳感器芯片和系統穩定,本設計使用石墨烯對芯片散熱,完美的解決了芯片散熱問題。

RV3588芯片24 MHz晶振和內部反饋電路共同構成了系統的時鐘電路,芯片的nPOR 引腳低電平有效,用來實現芯片復位,復位時間大于4 μs 可以保證芯片穩定工作。芯片有兩個PLL 的電源,分別是PLL_AVDD_0V8 和PLL_AVDD_1V8,電源去耦電容設計上必須靠近管腳的位置擺放,為防止干擾PLL 必須單獨供電。芯片CPU 電源的核電壓是0V8,電源芯片LDO 供電能力大于1A5,PCB 布局時,電容必須靠近芯片引腳,否則系統會不穩定。芯片Logic 和NPU 電源的核電壓是0V8,電源芯片LDO 供電能力大于2 A,PCB 布局時,電容必須靠近芯片引腳,否則系統會不穩定。LPDDR4 電壓值是1.1 V,DDR 顆粒的電源必須要采用同一電源網絡,電容靠近芯片放置,VCC_DDR 通過分壓電阻產生Vref_CA 電壓,分壓電阻精度要求使用1% 的精密電阻。

晶振的XIN、XOUT 信號在PCB 設計時走線全程做包地處理,并保證這些信號有完整的參考地, 晶體電路下方不能電源線或有高速信號穿過,并且不超過兩個過孔,晶振靠近主控放置。DDR 組內的不同信號線之間和組間兩相鄰信號線均要保持“3 W”原則,CLKP、CLKN 差分對線長誤差小于5 mil,DQS、DM和DATA 的線長誤差小于10 mil,DQSnP、DQSnM 差分對線長誤差小于5 mil。FLASH 保持信號參考平面完整避免信號走線穿越電源分割區域,相鄰信號走線間距保持“3 W”原則。

傳感器 MIPI 差分信號并保持GND 參考平面完整,差分對等長且小于5 mil,差分對的PCB 走線控制差分阻抗100 Ω±10%,控制器電源的去耦電容請靠近管腳放置,差分對與其他信號的間距遵循3 W 原則。

4   結束語

本文設計了一款基于石墨烯散熱的8 K智能攝像頭,通HDMI2.1 接口直連電視,給用戶8 K 端到端極高清的完美呈現。為了確保攝像頭性能穩定,本設計采用石墨烯對芯片散熱。

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(本文來源于《電子產品世界》雜志2023年1月期)



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