基于石墨烯散熱的8K智能攝像頭

張治軍

摘要：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。

關鍵詞：石墨烯；8 K；智能攝像頭

0引言

隨著4 K 電視（分辨率：3840×2160，約800萬像素）的普及，和人們對畫質的極限追求，8 K 電視（分辨率：7680×4320，約3300萬像素）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石墨烯散熱的8 K 智能攝像頭，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石墨烯材料對產品散熱。

本文開發基于石墨烯散熱的8 K 智能攝像頭畫質效果好，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

智能攝像頭主控采用瑞芯微 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。8 K 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。

1.2 IMX435介紹

索尼 IMX435最高支持8 K@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5300 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：

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4μs 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100Ω±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。

參考文獻：

[1] SJURSEN A D， FRIIS M， RNNING L ， et al. Monitoring of anadromous salmonids in the Fjrevassdraget watercourse， Nordland. Results from the video surveillance in 2020[A]，2021.

[2] SEVCIK J. A special peripheral component interconnect express card for video surveillance systems in alarm applications[J]. Przeglad Elektrotechniczny，2021，1（5）：30-35.

[3] MOSAIF A， RAKRAK S. A new system for real-time video surveillance in smart cities based on wireless visual Sensor networks and fog computing[J].Journal of Communications， 2021，16（5）：175-184.

[4] KHALID N，GOCHOO M， JALAL A， et al. Modeling two- person segmentation and locomotion for stereoscopic action identification： a sustainable video surveillance system[J].Sustainability，2021，13.

[5] KUMAR P . Development of a thermal-visible video surveillance system based on fractional order tv-model[J]. Journal of Physics Conference Series，2021， 1950（1）：012026.

[6] ZHANG J， JIA X， HU J， et al. Moving vehicle detection for remote sensing video surveillance with non stationary satellite platform[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2021，（99）：1.

[7] SHAHBAZ A， JO K H. Dual camera-based supervised foreground detection for low -end video surveillance systems[J].IEEE Sensors Journal，2021，（99）：1.

[8] PANDA S K， SAHU S K. Design of IoT-based real-time video surveillance system using raspberry Pi and Sensor network[M].2021.