1、前言
當我們測試來自新設計的攝像頭模塊的視頻輸入時，我們是否注意到視頻中出現(xiàn)緩慢移動的條、變色或閃爍，或者根本沒有視頻？
諸如此類的視頻問題可能有許多不同的原因：來自切換器的開關噪聲、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，我將解決三個設計技術，減少使用由來自成像器和圖像信號處理器（ISP）的負載階躍電壓紋波。 以下是 4-36V 同軸電纜供電相機模塊參考設計的框圖。以前的相機模塊設計方法只考慮了成像器。然而，引入 ISP 帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。
圖 1：汽車 4V-36V 同軸電纜供電參考設計框圖
2、電源設計
由于幀和行轉換，成像器和 ISP 的動態(tài)負載會在模擬軌上產生相當大的電壓紋波。例如，在轉換到新的幀或行期間，電流消耗類似于負載階躍，在行或幀期間需要 100-200mA，在行或幀死區(qū)時間期間需要 10-20mA。圖 2 以黃色顯示實際 2.8V 軌負載電流波形，以粉紅色顯示 2.8V 軌電壓紋波。圖 2 取自第一次修訂。我不得不解決這個意外的漣漪。
圖 2：由 2.8V 電源軌的動態(tài)負載引起的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 電源軌的負載電流波形的快速傅立葉變換 (FFT)。我通過用一圈導線替換電源和導軌去耦電容器之間的鐵氧體磁珠來測量負載電流波形，然后在該導線上放置一個接地電流探頭。
圖 3：2.8V 負載電流的 FFT
圖 4：1.8V 負載電流的 FFT
請注意，在圖 3 中的 2.8V 負載電流波形和圖 4 中的 1.8V 負載電流波形之間，接近 DC 的頻率分量的幅度差異高達 400kHz。2MHz 附近的尖峰來自開關降壓轉換器的頻率。
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加劇電壓紋波，在某些情況下會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），并且每行和每幀內的負載需要相當動態(tài)的電流。這些負載階躍發(fā)生得如此之快，以至于實際電源無法在下一個負載階躍之前恢復。即使在測試中，常見的可編程負載測試設備也只能提供高達 15kHz 的負載階躍。最初推薦的鐵氧體磁珠具有 500mΩ 的相當大的直流電阻。通過該電阻的動態(tài)負載電流將產生由 V=IR 密切預測的電壓，并且可能類似于圖 5。如果使用鐵氧體磁珠，它應該具有低 DCR 以最有效地降低這種低頻電壓紋波，同時減輕原先預期的高頻噪聲。
圖 5 和圖 6 是示波器截圖，顯示了去除鐵氧體磁珠對 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，請將耗材放置在盡可能靠近成像器導軌的位置。除非電源和接地路徑的過孔非常接近并視為一對，否則環(huán)路電感可能會高得多并引入大于正常的電壓紋波。圖 7 顯示了相機模塊設計 PCB 視圖中的推薦過孔。這些過孔被圈出。
圖 7：來自汽車 4V-36V 同軸電纜供電參考設計的電源接地過孔對示例
當機械外殼或外形要求限制電源放置時，請仔細考慮層堆疊。將負載層和電源層靠近放置將使負載和電源之間的 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。隨著相機模塊變得越來越小，我們必須格外注意電源層。當通過過孔路由許多視頻和控制信號時，PCB 編輯軟件會自動從電源或接地層去除銅，以便為這些過孔騰出空間。軟件自動創(chuàng)建的交錯信號過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，因為它們在圖 3 和圖 4 所示頻率附近的 FFT 具有最低阻抗。我為這些設計測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計最終版本的 2.8V 電源軌上的電壓紋波。
圖 10：汽車同軸電纜供電參考設計最終 2.8V 電壓紋波
圖 11：汽車 4V-36V 同軸電纜供電參考設計最終 2.8V 電壓紋波
通過使用這些設計技術，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
· 動態(tài)負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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