汽车摄像头模块中敏感和动态电源轨的纹波降低技术

当你测试新设计的摄像头模块的视频输出时，是否注意到视频中出现了缓慢移动的条纹、色彩失真、闪烁，甚至是完全没有图像？

这些视频问题可能有多种原因：可能是来自开关电源的开关噪声、帧或行之间的电压纹波、系统温度过高，甚至是成像器损坏。在这篇博文中，我将介绍三种设计技术，这些技术可以减少由成像器和图像信号处理器（ISP）引起的负载阶跃导致的电压纹波。这些技术基于“具有YUV422输出、FPD-Link III和同轴电缆供电的汽车1MP摄像头模块参考设计”以及“具有YUV422、FPD-Link III和4V-36V同轴电缆供电的汽车1MP摄像头模块参考设计”。以下是4V-36V同轴电缆供电摄像头模块参考设计的框图。以往的摄像头模块设计方法仅考虑了成像器本身，然而引入ISP后，带来了一系列新的挑战。

图1

由于帧和行的切换，成像器和图像信号处理器（ISP）的动态负载会在模拟电源轨上产生相当大的电压纹波。例如，在切换到新帧或新行时，电流的波动类似于负载阶跃：在行或帧期间需要100-200mA的电流，而在行或帧的死区时间（非活动时间）只需要10-20mA的电流。图2显示了实际的2.8V电源轨的负载电流波形（黄色）和2.8V电源轨的电压纹波（粉色）。图2是在第一版设计中拍摄的。我必须解决这个意外的纹波问题。

图2

图3和图4是示波器的屏幕截图，分别显示了2.8V和1.8V电源轨的负载电流波形的快速傅里叶变换（FFT）。我通过用一段导线替换电源和电源轨去耦电容之间的铁氧体磁珠，并将接地的电流探头放置在该导线上，来测量负载电流波形。

图3

图4

请注意图3中2.8V负载电流波形与图4中1.8V负载电流波形在接近直流（DC）的频率分量以及延伸至400kHz范围内的幅度差异。大约2MHz处的尖峰来自降压转换器的开关频率。

我首先讨论的方法是使用铁氧体磁珠。你可能已经知道，铁氧体磁珠用于隔离噪声或减少高频噪声，但在某些情况下，电源轨和电源之间的铁氧体磁珠可能会加剧电压纹波，在某些情况下甚至会使成像器处的电压纹波翻倍。

行和帧的切换频率接近直流（行频率为22.4-44.8kHz，帧频率为30-60Hz，典型值分别为），而每一行和每一帧内的负载需要相对动态的电流。这些负载阶跃发生得如此之快，以至于实际的电源在下一个负载阶跃之前无法恢复。即使在测试中，常见的可编程负载测试设备也只能提供最快15kHz的负载阶跃。最初推荐的铁氧体磁珠具有相当大的直流电阻（500mΩ）。通过这种电阻的动态负载电流将产生接近于欧姆定律（V=IR）预测的电压降，可能类似于图5所示的情况。如果使用铁氧体磁珠，应选择低直流电阻（DCR）的磁珠，以最有效地减少低频电压纹波，同时减轻高频噪声，达到最初的设计意图。

图5和图6是示波器的截图，展示了移除铁氧体磁珠对2.8V模拟电源轨的影响。

图5

图6

第二种方法是确保电源与成像器电源轨之间的电流环路尽可能紧凑，通过最小化电流环路和寄生走线电感来减少纹波。

为了从这种方法中受益，应尽可能将电源放置在靠近成像器电源轨的位置。除非电源和地路径的过孔彼此靠近并被视为一对，否则环路电感可能会显著增加，并引入比正常更大的电压纹波。图7展示了摄像头模块设计的PCB视图中推荐的过孔。这些过孔已被圈出。

图7

当机械外壳或尺寸要求限制了电源的放置位置时，需要仔细考虑层叠结构。将负载层和电源层放置得尽可能靠近，可以在负载和电源之间将z方向上的电流环路保持在最小范围。

与紧凑的电流环路类似，使用电源平面和地平面也可以减少电流环路电感和寄生效应。随着摄像头模块变得越来越小，必须更加关注电源平面。在通过过孔布线众多视频和控制信号时，PCB编辑软件会自动从电源或地平面中移除铜，以为这些过孔腾出空间。交错布置信号过孔并减小软件自动生成的孔径，可以显著改善电源和地平面的连续性，从而减少环路电感。图8和图9展示了改进前后的地平面的对比。

图8

图9

第三种也是最后一种方法是优化去耦电容。对于成像器的去耦，我建议使用较大容量的电容，例如10µF、22µF或47µF，因为这些电容在图3和图4中通过快速傅里叶变换（FFT）所示的频率范围内具有最低的阻抗。我为这些设计测试了不同的去耦电容组合，但它们并未在最终版本中实施。

图10和图11展示了汽车同轴电缆供电和汽车4V-36V同轴电缆供电参考设计最终版本中2.8V电源轨的电压纹波。

图10

图11

通过使用以下设计技术，电压纹波从大约40-60毫伏峰-峰（mVP-P）降低到了5-8毫伏峰-峰（mVP-P），改善幅度达到了8到10倍：

1. 降低或移除铁氧体磁珠的直流电阻（DCR）

2. 减少动态负载与电源之间的电流环路

3. 优化去耦电容