用于汽車攝像頭模塊中敏感和動(dòng)態(tài)導(dǎo)軌的紋波減少技術(shù)
1、前言
當(dāng)我們測(cè)試來(lái)自新設(shè)計(jì)的攝像頭模塊的視頻輸入時(shí)，我們是否注意到視頻中出現(xiàn)緩慢移動(dòng)的條、變色或閃爍，或者根本沒(méi)有視頻？
諸如此類的視頻問(wèn)題可能有許多不同的原因：來(lái)自切換器的開關(guān)噪聲、幀或行期間的電壓紋波、系統(tǒng)溫度升高，甚至成像器損壞。在該博客帖子，我將解決三個(gè)設(shè)計(jì)技術(shù)，減少使用由來(lái)自成像器和圖像信號(hào)處理器（ISP）的負(fù)載階躍電壓紋波。 以下是 4-36V 同軸電纜供電相機(jī)模塊參考設(shè)計(jì)的框圖。以前的相機(jī)模塊設(shè)計(jì)方法只考慮了成像器。然而，引入 ISP 帶來(lái)了一系列新的挑戰(zhàn)。
圖 1：汽車 4V-36V 同軸電纜供電參考設(shè)計(jì)框圖
由于幀和行轉(zhuǎn)換，成像器和 ISP 的動(dòng)態(tài)負(fù)載會(huì)在模擬軌上產(chǎn)生相當(dāng)大的電壓紋波。例如，在轉(zhuǎn)換到新的幀或行期間，電流消耗類似于負(fù)載階躍，在行或幀期間需要 100-200mA，在行或幀死區(qū)時(shí)間期間需要 10-20mA。圖 2 以黃色顯示實(shí)際 2.8V 軌負(fù)載電流波形，以粉紅色顯示 2.8V 軌電壓紋波。圖 2 取自第一次修訂。我不得不解決這個(gè)意外的漣漪。
圖 2：由 2.8V 電源軌的動(dòng)態(tài)負(fù)載引起的60mV P-P電壓紋波
圖 3 和圖 4 是示波器屏幕截圖，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立葉變換 (FFT)。我通過(guò)用一圈導(dǎo)線替換電源和導(dǎo)軌去耦電容器之間的鐵氧體磁珠來(lái)測(cè)量負(fù)載電流波形，然后在該導(dǎo)線上放置一個(gè)接地電流探頭。
圖 3：2.8V 負(fù)載電流的 FFT
圖 4：1.8V 負(fù)載電流的 FFT
請(qǐng)注意，在圖 3 中的 2.8V 負(fù)載電流波形和圖 4 中的 1.8V 負(fù)載電流波形之間，接近 DC 的頻率分量的幅度差異高達(dá) 400kHz。2MHz 附近的尖峰來(lái)自開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器的頻率。
我將討論的第一種方法是使用鐵氧體磁珠。雖然我們可能已經(jīng)知道鐵氧體磁珠用于隔離噪聲或降低高頻噪聲，但在某些情況下，電壓軌和電源之間的鐵氧體磁珠會(huì)加劇電壓紋波，在某些情況下會(huì)使成像器的電壓紋波加倍。
行頻和幀頻出現(xiàn)在更接近 DC 的頻率（分別為 22.4-44.8kHz、30-60Hz 典型值），并且每行和每幀內(nèi)的負(fù)載需要相當(dāng)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)際電源無(wú)法在下一個(gè)負(fù)載階躍之前恢復(fù)。即使在測(cè)試中，常見(jiàn)的可編程負(fù)載測(cè)試設(shè)備也只能提供高達(dá) 15kHz 的負(fù)載階躍。最初推薦的鐵氧體磁珠具有 500mΩ 的相當(dāng)大的直流電阻。通過(guò)該電阻的動(dòng)態(tài)負(fù)載電流將產(chǎn)生由 V=IR 密切預(yù)測(cè)的電壓，并且可能類似于圖 5。如果使用鐵氧體磁珠，它應(yīng)該具有低 DCR 以最有效地降低這種低頻電壓紋波，同時(shí)減輕原先預(yù)期的高頻噪聲。
圖 5 和圖 6 是示波器截圖，顯示了去除鐵氧體磁珠對(duì) 2.8V 模擬軌的影響。
圖 5：帶鐵氧體磁珠的 2.8V 電壓紋波 – 35.2mV P-P
圖 6：無(wú)鐵氧體磁珠的 2.8V 電壓紋波 – 11.2mV P-P
第二種方法是確保電源和成像器軌之間的緊密電流環(huán)路，通過(guò)最小化電流環(huán)路和寄生走線電感來(lái)減少紋波。
為了從這種方法中受益，請(qǐng)將耗材放置在盡可能靠近成像器導(dǎo)軌的位置。除非電源和接地路徑的過(guò)孔非常接近并視為一對(duì)，否則環(huán)路電感可能會(huì)高得多并引入大于正常的電壓紋波。圖 7 顯示了相機(jī)模塊設(shè)計(jì) PCB 視圖中的推薦過(guò)孔。這些過(guò)孔被圈出。
圖 7：來(lái)自汽車 4V-36V 同軸電纜供電參考設(shè)計(jì)的電源接地過(guò)孔對(duì)示例
當(dāng)機(jī)械外殼或外形要求限制電源放置時(shí)，請(qǐng)仔細(xì)考慮層堆疊。將負(fù)載層和電源層靠近放置將使負(fù)載和電源之間的 z 方向上的電流環(huán)路盡可能小。
與緊密的電流環(huán)路一樣，使用電源層和接地層也可以減少電流環(huán)路電感和寄生效應(yīng)。隨著相機(jī)模塊變得越來(lái)越小，我們必須格外注意電源層。當(dāng)通過(guò)過(guò)孔路由許多視頻和控制信號(hào)時(shí)，PCB 編輯軟件會(huì)自動(dòng)從電源或接地層去除銅，以便為這些過(guò)孔騰出空間。軟件自動(dòng)創(chuàng)建的交錯(cuò)信號(hào)過(guò)孔和減小孔直徑可以顯著提高電源和接地層的連續(xù)性，進(jìn)而降低環(huán)路電感。圖 8 和圖 9 顯示了早期接地平面與改進(jìn)接地平面的比較。
圖 8：修訂版 1 GND 層
圖 9：最終修訂的 GND 層
第三種也是最后一種方法是優(yōu)化去耦電容器。對(duì)于成像器去耦，我建議使用較大的大容量電容器，例如 10μF、22μF 或 47μF，因?yàn)樗鼈冊(cè)趫D 3 和圖 4 所示頻率附近的 FFT 具有最低阻抗。我為這些設(shè)計(jì)測(cè)試了不同的去耦電容器組合，但它們并未在最終修訂版中實(shí)現(xiàn)。
圖 10 和圖 11 顯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)最終版本的 2.8V 電源軌上的電壓紋波。
圖 10：汽車同軸電纜供電參考設(shè)計(jì)最終 2.8V 電壓紋波
圖 11：汽車 4V-36V 同軸電纜供電參考設(shè)計(jì)最終 2.8V 電壓紋波
通過(guò)使用這些設(shè)計(jì)技術(shù)，電壓紋波從大約 40-60mV P-P下降到 5-8mV P-P，提高了 8 到 10 倍：
· 減少或去除鐵氧體磁珠 DCR
· 動(dòng)態(tài)負(fù)載和電源之間的電流環(huán)路減少
· 去耦電容優(yōu)化
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