汽車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(dāng)你測試新設(shè)計(jì)的攝像頭模塊的視頻輸出時(shí)，是否注意到視頻中出現(xiàn)了緩慢移動(dòng)的條紋、色彩失真、閃爍，甚至是完全沒有圖像？

這些視頻問題可能有多種原因：可能是來自開關(guān)電源的開關(guān)噪聲、幀或行之間的電壓紋波、系統(tǒng)溫度過高，甚至是成像器損壞。在這篇博文中，我將介紹三種設(shè)計(jì)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(fù)載階躍導(dǎo)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1MP攝像頭模塊參考設(shè)計(jì)”以及“具有YUV422、FPD-Link III和4V-36V同軸電纜供電的汽車1MP攝像頭模塊參考設(shè)計(jì)”。以下是4V-36V同軸電纜供電攝像頭模塊參考設(shè)計(jì)的框圖。以往的攝像頭模塊設(shè)計(jì)方法僅考慮了成像器本身，然而引入ISP后，帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。

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(fù)載會(huì)在模擬電源軌上產(chǎn)生相當(dāng)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)類似于負(fù)載階躍：在行或幀期間需要100-200mA的電流，而在行或幀的死區(qū)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(fù)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(shè)計(jì)中拍攝的。我必須解決這個(gè)意外的紋波問題。

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(fù)載電流波形的快速傅里葉變換（FFT）。我通過用一段導(dǎo)線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(dǎo)線上，來測量負(fù)載電流波形。

圖3

圖4

請注意圖3中2.8V負(fù)載電流波形與圖4中1.8V負(fù)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(nèi)的幅度差異。大約2MHz處的尖峰來自降壓轉(zhuǎn)換器的開關(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?xí)钩上衿魈幍碾妷杭y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(nèi)的負(fù)載需要相對動(dòng)態(tài)的電流。這些負(fù)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(fù)載階躍之前無法恢復(fù)。即使在測試中，常見的可編程負(fù)載測試設(shè)備也只能提供最快15kHz的負(fù)載階躍。最初推薦的鐵氧體磁珠具有相當(dāng)大的直流電阻（500mΩ）。通過這種電阻的動(dòng)態(tài)負(fù)載電流將產(chǎn)生接近于歐姆定律（V=IR）預(yù)測的電壓降，可能類似于圖5所示的情況。如果使用鐵氧體磁珠，應(yīng)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(dá)到最初的設(shè)計(jì)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，通過最小化電流環(huán)路和寄生走線電感來減少紋波。

為了從這種方法中受益，應(yīng)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孔彼此靠近并被視為一對，否則環(huán)路電感可能會(huì)顯著增加，并引入比正常更大的電壓紋波。圖7展示了攝像頭模塊設(shè)計(jì)的PCB視圖中推薦的過孔。這些過孔已被圈出。

圖7

當(dāng)機(jī)械外殼或尺寸要求限制了電源的放置位置時(shí)，需要仔細(xì)考慮層疊結(jié)構(gòu)。將負(fù)載層和電源層放置得盡可能靠近，可以在負(fù)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(yīng)。隨著攝像頭模塊變得越來越小，必須更加關(guān)注電源平面。在通過過孔布線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，以為這些過孔騰出空間。交錯(cuò)布置信號過孔并減小軟件自動(dòng)生成的孔徑，可以顯著改善電源和地平面的連續(xù)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?yàn)檫@些電容在圖3和圖4中通過快速傅里葉變換（FFT）所示的頻率范圍內(nèi)具有最低的阻抗。我為這些設(shè)計(jì)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展示了汽車同軸電纜供電和汽車4V-36V同軸電纜供電參考設(shè)計(jì)最終版本中2.8V電源軌的電壓紋波。

圖10

圖11

通過使用以下設(shè)計(jì)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(dá)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(fù)載與電源之間的電流環(huán)路

3. 優(yōu)化去耦電容