关于手机Camera的硬件电路知识

前阶段，小白教同事测了些Camere的基本功耗。正愁不知道写什么的小白，突然想到了素材，于是乎便趁着周末雷雨天宅家之际，写一篇关于手机Camere的硬件文章。

手机Camera

一、工作原理

关于Camera，景物通过镜头生成光学图像投射到图像传感器表面上，然后光信号转换为模拟的电信号，经过A/D(模数转换)转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片中加工处理，再通过IO接口传输到CPU中处理，最终通过LCD显示成像。

二、分类

目前的手机摄像头主要为以下几类
1.长焦
焦距在60mm以上的摄像镜头。其具备类似望远镜的功能，3X及以上的模组都属于这个范围。手机中的主摄往往采用长焦模组。

2.景深
目前大部分手机都不会上的摄像头，即使上了，也大多数为了凑数。实不相瞒，上一次接触景深，还属2020年小白大学刚毕业入职公司参与的第一个项目。
手机中采用的景深摄像头多为TOF摄像头。TOF-Time-of-Flight，即飞行时间。TOF镜头会发出红外线并计算投射到不同点位的红外线反射回来的时间，根据时间差，可以得知不同点位到手机镜头的距离，进而识别出被拍摄画面不同平面的深度。

3.微距
当手机拍摄近距离物体时，我们发现往往会很模糊。这个时候，如果要想拍的清晰，拍的细微就要用到微距，其拍摄距离往往在2-10cm之内。比如网络上的一些近景的花卉，昆虫均采用微距拍摄。

4.广角
顾名思义拥有广阔的视角。同一位置下可以获得更宽广的画面。具有视野宽阔，景深长，镜头焦距短的特点。

普通镜头

打开广角

三、硬件电路

聊完了摄像头的分类，来到文章的重点地方。如下为手机上一颗主摄的硬件电路设计。分为电源和普通信号线。

硬件电源

Camera一般离不开这四路电。
AVDD
DVDD
IOVDD
AFVDD

其中
1.AVDD
Sensor模拟电源。主要给内部的感光区以及ADC供电，属于敏感电源。在Camera预览出现水波纹或者黑暗条件拍摄噪点大问题一般均是AVDD电源不干净所导致。多个不同时工作的Camera，可共用一个AVDD。前摄和后主摄的AVDD不可共用。虽部分摄像头可共用，但也必须做LDO预留设计，预留的LDO优先作为大像素的备份。每个Camera的AVDD输入必须预留RC滤波网络用于debug需要。

2.IOVDD
IO接口电源。主要给内部I2C和MIPI供电。同时IO的电通常与对应Camera的I2C的上拉源共用一组电。功耗属于最低，属于uA级别。对噪声不敏感，影响较低。

3.AFVDD
对焦马达电源。在手机主摄中，往往存在着AFVDD这路电。主要作用是为了实现对焦。手机摄像头的音圈马达(VCM)需要Driver IC配合完成对焦。其两个PIN都接在Driver IC上，在一个永久磁场内，通过Driver IC改变马达内线圈的直流大小来控制弹簧片的拉伸位置，从而带动上下移动。

尝试将后置摄像头打开或者关闭，可以听到音圈马达因移动产生的撞击的声音。同时在关闭摄像头时，手机离拍摄物越近，关闭时响声越明显，与拍摄物越远响声越是听不到。下面小白来给大家解释一波。

开启有撞击声
开机或者重启第一次打开摄像头，马达驱动初始位置为马达有效行程的最底端。如果行程较大，很容易撞上底座。如果想要优化这类问题，可选择修改初始化位置，将其改到行程中间。

修改前

修改后

退出Camera撞击声
Camera退出后，马达掉电，线圈中不存在电流，弹簧失去洛伦兹力的牵引，在弹力作用下恢复原状，弹簧的位置靠近底座，恢复原位置回弹时会撞到底座产生撞击声。马达退出时距离底座越远声音越大，即对焦物体越近，退出时声音越大。这也就解释了前面的现象。
AFVDD通常由LDO供电，LDO的选择≥15dB@1KHz~1MHz。

4.DVDD
DVDD:给与Camera内部芯片的数字信号供电，电压一般在0.95V-1.2V。主要给内部的ISP等模块供电，功耗最高。以50M摄像头来看，其DVDD耗流的Typ值为236.3mA，MAX值未知。由于手机主板的连接器座子的Pin载流能力为300mA,所以在设计中，这路电我们往往选择两个Pin以保证设计的安全性。

其与其他电相同，均采用LDO供电，要求PSRR≥20dB@1KHz~1MH。因电流大，所以要求输入与输出的压差尽可能的小。压差大，使得LDO使用的效率低，能量以热能散失，影响到整机的温升。

硬件信号

1.I2C
Camera与BB芯片的通信方式属于I2C。速率一般在400K。可同时工作的Camera，例如前后主摄不可共用一组I2C,以免I2C带宽不足，降低Camera对Host的响应速度、增加Camera的响应延迟。

2.MCLK
除了几个重要的电源外，还存在时钟信号，其由BB芯片提供，频率24M。是CCM sensor的时钟源，MCLK由sensor处理后变成传输数据所需要的PCLK,PCLK指pixel采样的时钟。其通路上往往串一颗磁珠，以解射频desense问题。

3.VSYNC
场同步信号。双摄下多个摄像头需要同时曝光出数据。所以各Camera的VSYNC接到一起用于同步。同时工作的Camere要用0R电阻隔开以备调试。

MIPI:高速信号，后期细讲。

PCB设计

根据图示放置电容，并靠近对应的Pin摆放(PMU输出电容靠近PMU,Camera去耦电容靠近连接器摆放)。
AVDD:RC滤波组合靠近连接器放置；0.1UF靠近连接器放置，4.7uF次之。电容的地与Camera的模拟地AGND相连一起并在靠近连接器处通过Via下到主地。如果预留LDO,同样要求靠近连接器摆放。AVDD做好保护，走线立体包地。尽量少打孔换层，禁止与电流，RF以及时钟信号并行或者相邻。

DVDD:电容摆放靠近连接器，因电流大，线宽要求满足对应的电流值即可。

IOVD：电容摆放靠近连接器，电流小，基本线宽即可。

AFVDD:同AFVDD。AFGND的Pin直接与对应的去耦电容负极连接并且靠近座子下主地。不可与其他层的GND网络存在物理连接。

三路电的线宽均以1A 1mm线宽的方式进行设计。

MIPI:通常串共模电感，但目前的项目往往选择省略。用于MIPI信号测试的测试点需摆放在MIPI路径上。保持内层走线，除BB以及连接器端外，避免表层走线。整个路径打孔不超过4个。换层后走线依旧保持完整的参考地平面，每组MIPI Data与MIPI CLK单独包地处理。如果无法做到单独包地处理，组与组需保持3W原则。差分阻抗控制在100ohm±10%.差分内P和N等长控制在15mil，组间控制在40mil.

MCLK:属于高速信号。做好立体包地。测量时使用弹簧针测试，确保测试出的波形不会失真。MCLK信号如果不做好保护导致的波形异常，同样也会在效果上显示存在严重的缺陷。

连接器下方的表层和次表层保持完整的GND,不能走线。

四、总结

其实从手机硬件设计的角度来看，Camera的东西并不是很多。往往出问题最多的无非就是Camere场景功耗 mipi信号测试以及画质显著的缺陷的问题。硬件设计方面，PCB的设计起到了很重要的作用。好的设计往往可以避免很多问题。