用于汽车摄像头模块中敏感和动态导轨的纹波减少技术
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1、前言
当我们测试来自新设计的摄像头模块的视频输入时，我们是否注意到视频中出现缓慢移动的条、变色或闪烁，或者根本没有视频？
诸如此类的视频问题可能有许多不同的原因：来自切换器的开关噪声、帧或行期间的电压纹波、系统温度升高，甚至成像器损坏。在该博客帖子，我将解决三个设计技术，减少使用由来自成像器和图像信号处理器（ISP）的负载阶跃电压纹波。 以下是 4-36V 同轴电缆供电相机模块参考设计的框图。以前的相机模块设计方法只考虑了成像器。然而，引入 ISP 带来了一系列新的挑战。
图 1：汽车 4V-36V 同轴电缆供电参考设计框图
2、电源设计
由于帧和行转换，成像器和 ISP 的动态负载会在模拟轨上产生相当大的电压纹波。例如，在转换到新的帧或行期间，电流消耗类似于负载阶跃，在行或帧期间需要 100-200mA，在行或帧死区时间期间需要 10-20mA。图 2 以黄色显示实际 2.8V 轨负载电流波形，以粉红色显示 2.8V 轨电压纹波。图 2 取自第一次修订。我不得不解决这个意外的涟漪。
图 2：由 2.8V 电源轨的动态负载引起的60mV P-P电压纹波
图 3 和图 4 是示波器屏幕截图，分别显示了 2.8V 和 1.8V 电源轨的负载电流波形的快速傅立叶变换 (FFT)。我通过用一圈导线替换电源和导轨去耦电容器之间的铁氧体磁珠来测量负载电流波形，然后在该导线上放置一个接地电流探头。
图 3：2.8V 负载电流的 FFT
图 4：1.8V 负载电流的 FFT
请注意，在图 3 中的 2.8V 负载电流波形和图 4 中的 1.8V 负载电流波形之间，接近 DC 的频率分量的幅度差异高达 400kHz。2MHz 附近的尖峰来自开关降压转换器的频率。
我将讨论的第一种方法是使用铁氧体磁珠。虽然我们可能已经知道铁氧体磁珠用于隔离噪声或降低高频噪声，但在某些情况下，电压轨和电源之间的铁氧体磁珠会加剧电压纹波，在某些情况下会使成像器的电压纹波加倍。
行频和帧频出现在更接近 DC 的频率（分别为 22.4-44.8kHz、30-60Hz 典型值），并且每行和每帧内的负载需要相当动态的电流。这些负载阶跃发生得如此之快，以至于实际电源无法在下一个负载阶跃之前恢复。即使在测试中，常见的可编程负载测试设备也只能提供高达 15kHz 的负载阶跃。最初推荐的铁氧体磁珠具有 500mΩ 的相当大的直流电阻。通过该电阻的动态负载电流将产生由 V=IR 密切预测的电压，并且可能类似于图 5。如果使用铁氧体磁珠，它应该具有低 DCR 以最有效地降低这种低频电压纹波，同时减轻原先预期的高频噪声。
图 5 和图 6 是示波器截图，显示了去除铁氧体磁珠对 2.8V 模拟轨的影响。
图 5：带铁氧体磁珠的 2.8V 电压纹波 – 35.2mV P-P
图 6：无铁氧体磁珠的 2.8V 电压纹波 – 11.2mV P-P
第二种方法是确保电源和成像器轨之间的紧密电流环路，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，请将耗材放置在尽可能靠近成像器导轨的位置。除非电源和接地路径的过孔非常接近并视为一对，否则环路电感可能会高得多并引入大于正常的电压纹波。图 7 显示了相机模块设计 PCB 视图中的推荐过孔。这些过孔被圈出。
图 7：来自汽车 4V-36V 同轴电缆供电参考设计的电源接地过孔对示例
当机械外壳或外形要求限制电源放置时，请仔细考虑层堆叠。将负载层和电源层靠近放置将使负载和电源之间的 z 方向上的电流环路尽可能小。
与紧密的电流环路一样，使用电源层和接地层也可以减少电流环路电感和寄生效应。随着相机模块变得越来越小，我们必须格外注意电源层。当通过过孔路由许多视频和控制信号时，PCB 编辑软件会自动从电源或接地层去除铜，以便为这些过孔腾出空间。软件自动创建的交错信号过孔和减小孔直径可以显着提高电源和接地层的连续性，进而降低环路电感。图 8 和图 9 显示了早期接地平面与改进接地平面的比较。
图 8：修订版 1 GND 层
图 9：最终修订的 GND 层
第三种也是最后一种方法是优化去耦电容器。对于成像器去耦，我建议使用较大的大容量电容器，例如 10µF、22µF 或 47µF，因为它们在图 3 和图 4 所示频率附近的 FFT 具有最低阻抗。我为这些设计测试了不同的去耦电容器组合，但它们并未在最终修订版中实现。
图 10 和图 11 显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的 2.8V 电源轨上的电压纹波。
图 10：汽车同轴电缆供电参考设计最终 2.8V 电压纹波
图 11：汽车 4V-36V 同轴电缆供电参考设计最终 2.8V 电压纹波
通过使用这些设计技术，电压纹波从大约 40-60mV P-P下降到 5-8mV P-P，提高了 8 到 10 倍：
· 减少或去除铁氧体磁珠 DCR
· 动态负载和电源之间的电流环路减少
· 去耦电容优化
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