基于石墨烯散热的8K智能摄像头
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。
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，8K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石墨烯散热的8K智能摄像头，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石墨烯材料对产品散热。
本文开发基于石墨烯散热的8 K 智能摄像头画质效果好，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
智能摄像头主控采用瑞芯微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。8K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。
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：
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。
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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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