ADAS-Kameras mit Fernstromversorgung für Automotive-Anwendungen

Echtzeitfähige Rundumsicht-Lösungen sind ein Muss in modernen Fahrerassistenzsystemen. Aber die eingesetzten Kameras müssen mit Strom versorgt werden. Hier lesen Sie, wie das funktioniert.

Echtzeitfähige Rundumsicht-Lösungen (Surround-View) sind in modernen Automobilen mit Fahrerassistenzsystemen (Advanced Driver-Assistance Systems – ADAS) zu einer unbedingten Notwendigkeit geworden. Dies gilt speziell im Hinblick auf die Fahrsicherheit und Fahrerassistenz-Features sowie für autonome Fahrzeuge. Strategisch positionierte Kameras bieten den besten Blick auf die Umgebung des Fahrzeugs (Bild 1).

Da an diesen Montageorten aber meist keine direkte Stromversorgung verfügbar ist, ist die Fernstromversorgung von Kameras im Auto ein sehr gesuchtes Feature. Der folgende Artikel skizziert die Herausforderungen und Überlegungen beim Design solcher fernversorgten Applikationen, die mit einem leistungsfähigen FPD-Link III Serializer/Deserializer-Chipsatz (SerDes) implementiert werden.

Bild 2 zeigt in vereinfachter Form ein mit Megapixel-fähigen SerDes-Chipsätzen FPD-Link III ausgestattetes Auto mit mehreren Kameramodulen und Videoverarbeitungs-Subsystemen. Die SerDes-Module sind an ein Kabel angeschlossen, auf dem das serialisierte Videosignal mit hoher Datenrate, das bidirektionale Steuersignal mit geringer Datenrate und die zur Versorgung des Kameramoduls dienende Gleichspannung übertragen werden. Um den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs zu senken, wird hier in der Regel ein geschirmtes Koaxialkabel mit weniger Kupfer und dementsprechend geringerem Gewicht eingesetzt.

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Die detaillierte Implementierung des abgesetzten Kameramoduls ist in Bild 3 wiedergegeben. An beiden Enden des Kabels befindet sich eine Induktivität L_POC, was die Bereitstellung einer Gleichspannung zur Versorgung des Moduls erlaubt. Die hohe Impedanz der Induktivität sorgt dafür, dass das Video- und das Steuersignal nicht zu den Spannungsreglern gelangen können. Umgekehrt blockieren die Koppelkondensatoren (C_AC) die Versorgungsspannung, sodass ausschließlich die AC-Signale zwischen Serializer und Deserializer übertragen werden.

Überlegungen zur Stromstärke und Belastung

In der Host-Verarbeitungseinheit wird die Versorgungsspannung V_DC über die Induktivität L_POC auf das Kabel gegeben. Im Kameramodul wiederum wird die Versorgungsspannung über eine weitere Induktivität L_POC vom Kabel abgenommen und in die notwendigen Spannungen für Serializer und Bildsensor umgewandelt. Der Rückstrom fließt über die äußere Abschirmung des Kabels. Die Leistung, die an das Kameramodul übertragen wird, ist das Produkt aus I_DC und V_DC.

Eine Leistungsdrossel besitzt in der Regel einen magnetischen Kern. Wenn sich der in ihr fließende Strom dem Sättigungsstrom nähert, geht die Induktivität zurück und bricht schließlich zusammen. Die Speiseinduktivität L_POC wird deshalb so dimensioniert, dass ihre Stromfestigkeit deutlich über der Stromaufnahme von Serializer und Bildsensor liegt.

Bild 4 zeigt ebenfalls in vereinfachter Form die DC-Stromversorgungsschaltung. Wie bei allen Stromversorgungssystemen kommt es auch hier darauf an, den Spannungsabfall an den Gleichstromwiderständen des Kabels und der Speiseinduktivitäten L_POC zu berücksichtigen. Der Gleichstromwiderstand eines 10 m langen Automotive-Koaxialkabels vom Typ DACAR-462 liegt zwischen 2,5 Ω und 3,5 Ω, während die geflochtene Abschirmung einen Widerstand von 0,3 Ω bis 0,4 Ω aufweist. Für die Miniaturdrossel L_POC ist ein Gleichstromwiderstand von rund 12,5 Ω bis 2,5 Ω anzusetzen. Wählen Sie die Versorgungsspannung V_DC auf jeden Fall so, dass die Spannungsabfälle an den internen Widerständen bis zum abgesetzten Kameramodul berücksichtigt werden.

Eine weitere Problematik beim Design resultiert aus der schwankenden Stromaufnahme des Bildsensors. Während der Abtastperioden zwischen den Video-Frames ist der Bildsensor nämlich inaktiv, und seine Stromaufnahme geht vom Volllastwert I_SENSOR auf die Ruhestromaufnahme I_SQ zurück. Der somit schwankende Spannungsabfall erzeugt einen Impuls mit der Amplitude V_PULSE und einer Frequenz, die gleich der Video-Framerate ist. Spannungsabfall und Impulsform sind in (Bild 5) wiedergegeben.

Die Spannungsschwankung V_PULSE erscheint am Knoten V_POC. Auch wenn sie durch das von L_POC und C_AC gebildete Hochpassfilter abgeschwächt wird, schlägt sie an den Anschluss DOUT+ des Serializers durch und beeinträchtigt dort die Güte der AC-Signale. Verringern lässt sich V_PULSE, indem man den Gleichstromwiderstand oder I_DC verkleinert. Die Bypass-Kondensatoren C₃ und C₁ reduzieren die Flankensteilheit von V_PULSE und verringern damit auch den Oberwellenanteil, der sich störend auf die High-Speed-Kommunikation auswirken kann.

Gemäß den gerade angestellten Überlegungen ist es sinnvoll, vom Host aus eine höhere Versorgungsspannung auf das Kabel zu geben, die im Kameramodul wieder auf die benötigten Spannungen reduziert wird. Der Strom verringert sich hierdurch um das Verhältnis N = V_POC/V_DD. Der niedrigere I_DC-Wert hält außerdem den Sättigungsstrom der Induktivität gering und kommt damit der Bandbreite zugute. Nicht zuletzt reduziert ein niedrigerer Strom den Spannungsabfall in der Stromverteilung, wodurch die Amplitude des Störimpulses V_PULSE geringer wird.

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