汽車(chē)攝像頭模塊中敏感和動(dòng)態(tài)電源軌的紋波降低技術(shù)

當你測試新設計的攝像頭模塊的視頻輸出時(shí)，是否注意到視頻中出現了緩慢移動(dòng)的條紋、色彩失真、閃爍，甚至是完全沒(méi)有圖像？

這些視頻問(wèn)題可能有多種原因：可能是來(lái)自開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)噪聲、幀或行之間的電壓紋波、系統溫度過(guò)高，甚至是成像器損壞。在這篇博文中，我將介紹三種設計技術(shù)，這些技術(shù)可以減少由成像器和圖像信號處理器（ISP）引起的負載階躍導致的電壓紋波。這些技術(shù)基于“具有YUV422輸出、FPD-Link III和同軸電纜供電的汽車(chē)1MP攝像頭模塊參考設計”以及“具有YUV422、FPD-Link III和4V-36V同軸電纜供電的汽車(chē)1MP攝像頭模塊參考設計”。以下是4V-36V同軸電纜供電攝像頭模塊參考設計的框圖。以往的攝像頭模塊設計方法僅考慮了成像器本身，然而引入ISP后，帶來(lái)了一系列新的挑戰。

圖1

由于幀和行的切換，成像器和圖像信號處理器（ISP）的動(dòng)態(tài)負載會(huì )在模擬電源軌上產(chǎn)生相當大的電壓紋波。例如，在切換到新幀或新行時(shí)，電流的波動(dòng)類(lèi)似于負載階躍：在行或幀期間需要100-200mA的電流，而在行或幀的死區時(shí)間（非活動(dòng)時(shí)間）只需要10-20mA的電流。圖2顯示了實(shí)際的2.8V電源軌的負載電流波形（黃色）和2.8V電源軌的電壓紋波（粉色）。圖2是在第一版設計中拍攝的。我必須解決這個(gè)意外的紋波問(wèn)題。

圖2

圖3和圖4是示波器的屏幕截圖，分別顯示了2.8V和1.8V電源軌的負載電流波形的快速傅里葉變換（FFT）。我通過(guò)用一段導線(xiàn)替換電源和電源軌去耦電容之間的鐵氧體磁珠，并將接地的電流探頭放置在該導線(xiàn)上，來(lái)測量負載電流波形。

圖3

圖4

請注意圖3中2.8V負載電流波形與圖4中1.8V負載電流波形在接近直流（DC）的頻率分量以及延伸至400kHz范圍內的幅度差異。大約2MHz處的尖峰來(lái)自降壓轉換器的開(kāi)關(guān)頻率。

我首先討論的方法是使用鐵氧體磁珠。你可能已經(jīng)知道，鐵氧體磁珠用于隔離噪聲或減少高頻噪聲，但在某些情況下，電源軌和電源之間的鐵氧體磁珠可能會(huì )加劇電壓紋波，在某些情況下甚至會(huì )使成像器處的電壓紋波翻倍。

行和幀的切換頻率接近直流（行頻率為22.4-44.8kHz，幀頻率為30-60Hz，典型值分別為），而每一行和每一幀內的負載需要相對動(dòng)態(tài)的電流。這些負載階躍發(fā)生得如此之快，以至于實(shí)際的電源在下一個(gè)負載階躍之前無(wú)法恢復。即使在測試中，常見(jiàn)的可編程負載測試設備也只能提供最快15kHz的負載階躍。最初推薦的鐵氧體磁珠具有相當大的直流電阻（500mΩ）。通過(guò)這種電阻的動(dòng)態(tài)負載電流將產(chǎn)生接近于歐姆定律（V=IR）預測的電壓降，可能類(lèi)似于圖5所示的情況。如果使用鐵氧體磁珠，應選擇低直流電阻（DCR）的磁珠，以最有效地減少低頻電壓紋波，同時(shí)減輕高頻噪聲，達到最初的設計意圖。

圖5和圖6是示波器的截圖，展示了移除鐵氧體磁珠對2.8V模擬電源軌的影響。

圖5

圖6

第二種方法是確保電源與成像器電源軌之間的電流環(huán)路盡可能緊湊，通過(guò)最小化電流環(huán)路和寄生走線(xiàn)電感來(lái)減少紋波。

為了從這種方法中受益，應盡可能將電源放置在靠近成像器電源軌的位置。除非電源和地路徑的過(guò)孔彼此靠近并被視為一對，否則環(huán)路電感可能會(huì )顯著(zhù)增加，并引入比正常更大的電壓紋波。圖7展示了攝像頭模塊設計的PCB視圖中推薦的過(guò)孔。這些過(guò)孔已被圈出。

圖7

當機械外殼或尺寸要求限制了電源的放置位置時(shí)，需要仔細考慮層疊結構。將負載層和電源層放置得盡可能靠近，可以在負載和電源之間將z方向上的電流環(huán)路保持在最小范圍。

與緊湊的電流環(huán)路類(lèi)似，使用電源平面和地平面也可以減少電流環(huán)路電感和寄生效應。隨著(zhù)攝像頭模塊變得越來(lái)越小，必須更加關(guān)注電源平面。在通過(guò)過(guò)孔布線(xiàn)眾多視頻和控制信號時(shí)，PCB編輯軟件會(huì )自動(dòng)從電源或地平面中移除銅，以為這些過(guò)孔騰出空間。交錯布置信號過(guò)孔并減小軟件自動(dòng)生成的孔徑，可以顯著(zhù)改善電源和地平面的連續性，從而減少環(huán)路電感。圖8和圖9展示了改進(jìn)前后的地平面的對比。

圖8

圖9

第三種也是最后一種方法是優(yōu)化去耦電容。對于成像器的去耦，我建議使用較大容量的電容，例如10μF、22μF或47μF，因為這些電容在圖3和圖4中通過(guò)快速傅里葉變換（FFT）所示的頻率范圍內具有最低的阻抗。我為這些設計測試了不同的去耦電容組合，但它們并未在最終版本中實(shí)施。

圖10和圖11展示了汽車(chē)同軸電纜供電和汽車(chē)4V-36V同軸電纜供電參考設計最終版本中2.8V電源軌的電壓紋波。

圖10

圖11

通過(guò)使用以下設計技術(shù)，電壓紋波從大約40-60毫伏峰-峰（mVP-P）降低到了5-8毫伏峰-峰（mVP-P），改善幅度達到了8到10倍：

1. 降低或移除鐵氧體磁珠的直流電阻（DCR）

2. 減少動(dòng)態(tài)負載與電源之間的電流環(huán)路

3. 優(yōu)化去耦電容