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ADAS-Kameras mit Fernstromversorgung für Automotive-Anwendungen

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Anbieter zum Thema

Texas Instruments Deutschland GmbH

Unter der Annahme, dass Bildsensor und Serializer mit 1,8 V versorgt werden, geben die Tabellen 1 und 2 Beispiele mit VPOC-Werten von 4 V, 6 V und 10 V sowie Koaxialkabeln von 10 und 3 m Länge wieder. Mithilfe der angeführten Berechnungen wird deutlich, dass ein VDC-Wert von 10 V besser ist als 6 V. Ebenso ist klar, dass ein VDC-Wert von 4 V mit einem Linearregler einen Störimpuls von übermäßig hoher Amplitude erzeugt.

Überlegungen zur Bandbreite

Bild 6 zeigt in vereinfachter Form den Übertragungskanal zwischen den SerDes-Modulen. Berücksichtigt sind die 50-Ω-Leiterbahnen der Leiterplatte, die AC-Koppelkondensatoren, die Speiseinduktivitäten LPOC und das Verbindungskabel. Der Übertragungskanal hat einen Wellenwiderstand von 50 Ω, und die beiden Induktivitäten LPOC fungieren als Ableitung zur Masse. Um keinen Nebenschluss zu erzeugen und die Impedanz des Kanals nicht zu beeinträchtigen, wurde LPOC so gewählt, dass die Impedanz bei den hohen, im GHz-Bereich liegenden Frequenzen des High-Speed-Videosignals und auch bei den im MHz-Bereich angesiedelten Steuersignalen hoch ist. Die Induktivität behält ihre hohe Impedanz außerdem über den Temperaturbereich und bei dem Laststrom IDC, ohne in die Sättigung zu geraten.

Aufbau eines breitbandigen Induktivitäts-Netzwerks

Ein breitbandiges Induktivitäts-Netzwerk lässt sich aus kaskadierten Induktivitäten unterschiedlicher Größe und Bandbreite aufbauen, die den gesamten unteren, mittleren und oberen Frequenzbereich abdecken. Ein parallelgeschalteter Widerstand senkt den Gütefaktor des Netzwerks und vergrößert seinen Frequenzbereich. In Bild 7 sind die Impedanzen und Frequenzbereiche der einzelnen Induktivitäten dargestellt.

Bild 8 zeigt die Gesamtimpedanz der kaskadierten Induktivitäten über den gewünschten Frequenzbereich.

Überlegungen zur Leiterplatte

Bei der Implementierung eines Netzwerks aus mehreren zusammengesetzten Induktivitäten auf einer Leiterplatte sollte man darauf achten, keine übermäßigen parasitären Kapazitäten CPARASITIC mit den Anschlusspads der Bauelemente entstehen zu lassen, da diese Kapazitäten die Bandbreite des Netzwerks beeinträchtigen. Bild 9 zeigt schematisch das breitbandige Netzwerk aus zusammengesetzten Induktivitäten und die möglichen parasitären Kapazitäten, die durch die Anschluss-Pads entstehen. Bild 10 wiederum gibt eine Empfehlung, wie das Stromzuführungs-Netzwerk und die High-Speed-Leiterbahnen geroutet werden sollten.

Designprozedur und Anforderungen

Der Kasten „Ergänzendes zum Thema: Designprozedur und Anforderungen“ gibt Schritt für Schritt die Vorgehensweise zur Versorgung einer abgesetzten Kamera mit den entsprechenden Anforderungen wieder.

Ergänzendes zum Thema
Designprozedur und Anforderungen

Lesen Sie hier Schritt für Schritt die Vorgehensweise zur Versorgung einer abgesetzten Kamera mit den entsprechenden Anforderungen.

Parameter PLOAD, ISENSOR, VPOC und N:

  • Schlagen Sie die maximalen ISER- und ISENSOR-Werte in den Datenblättern des Serializers und des Bildsensors nach.
  • Berechnen Sie PLOAD = (ISER + ISENSOR) × VDD.
  • Legen Sie die Eingangsspannung VPOC für den Abwärtswandler fest und berücksichtigen Sie dabei den Wirkungsgrad E des Schaltwandlers (E = 0,9 bei 90 % Wirkungsgrad).
  • Berechnen Sie IDC = (PLOAD/E)/VPOC; halten Sie IDC dabei unter 200 mA.
  • N = VPOC/VDD.

Parameter LPOC und ISAT:

  • Schlagen Sie die Übertragungsrate der Videodaten auf dem Vorwärts-Kanal (DRFC) in GBit/s nach.
  • Ermitteln Sie die maximale Frequenz fMAX = Nyquist-Frequenz = (0,5 × DRFC) in GHz.
  • Schlagen Sie die Übertragungsrate des Rückkanals (DRBC) für die bidirektionalen Steuerungsdaten nach (in MBit/s).
  • Ermitteln Sie die minimale Frequenz fMIN = DRBC in MHz.
  • Berechnen Sie die Induktivität für das untere Frequenzband LLOW-F, das bei fMIN eine Impedanz von 2 kΩ ergibt. Berücksichtigen Sie dabei die Bauteiltoleranz.
  • Wählen Sie LMID-F = 0,1 × LLOW-F und LHIGH-F = 0,1 × LMID-F.
  • Schalten Sie einen Shunt-Widerstand von 2 bis 4 kΩ parallel zur Induktivität, um ihren Gütefaktor zu reduzieren und ihren Frequenzbereich zu vergrößern.
  • Bauen Sie ein zusammengesetztes Netzwerk aus Speiseinduktivitäten von LPOC = LLOW-F + LMID-F + LHIGH-F. Fügen Sie weiter kleine HF-Induktivitäten zu LPOC hinzu, bis die Impedanz bei der Maximalfrequenz fMAX 2 kΩ beträgt.
  • Beziehen Sie vom Anbieter ein Modell der Induktivität und verwenden Sie einen Simulator zum Abschätzen der Impedanz ZPOC, wobei die parasitären Kapazitäten durch die Anschluss-Pads auf der Leiterplatte berücksichtigt werden müssen.
  • Konsultieren Sie die Spezifikation der Induktivität, um sicherzustellen, dass der Nennstrom und der Sättigungsstrom ISAT mindestens das 1,5-Fache von IDC betragen.

Parameter RWIRE, RDC, VDC, VPULSE und tR:

  • Stellen Sie die maximale Kabellänge in Metern fest.
  • Erfragen Sie beim Kabelhersteller den Widerstand der Seele und der Abschirmung (RWIRE und RSHIELD) und prüfen Sie, ob der Nennstrom des Kabels fürIDC ausreicht.
  • Konsultieren Sie das Datenblatt der Induktivität, um den Gesamt-Gleichstromwiderstand RDC des zusammengesetzten Speiseinduktivitäten-Netzwerks zu bestimmen.
  • Schätzen Sie die Quellenspannung VDC = VPOC +IDC × (RWIRE + 2RDC).
  • Erfragen Sie beim Hersteller die Änderung der Bildsensor-Stromaufnahme (∆ISENSOR) zwischen Aktiv- und Austastphase. Sondieren Sie Möglichkeiten zum Minimieren der Stromänderung.
  • Schätzen Sie die Amplitude des Störimpulses VPULSE = [∆ISENSOR/(N × E)] × (RWIRE + 2RDC).
  • Fügen Sie die Bypass-Kondensatoren C1 und C3 hinzu, um eine Impulsanstiegszeit von TR > 100 µs zu erzielen.
  • Konsultieren Sie das Serializer-Datenblatt, um sicherzustellen, dass VPULSE, tR und die Schaltstörungen in einem akzeptablen Rahmen liegen, um die Störfestigkeit gewährleisten zu können.
  • Ist VPULSE zu hoch, erhöhen Sie VPOC, um N anzuheben.

Hinweise zum Leiterplatten-Layout:

  • Platzieren Sie die kleinste Induktivität LHIGH-F als erste unmittelbar am Steckverbinder. Ordnen Sie sie jedoch nicht vor dem Anschluss-Pad des Steckverbinders an, da die hierdurch entstehende Stichleitung die Signalintegrität beeinträchtigt.
  • Konsultieren Sie die Materialeigenschaften der Leiterplatte, um sicherzustellen, dass die kurze 50-Ω-Leiterbahn zwischen dem Anschluss-Pad des Steckverbinders und der ersten Induktivität LHIGH-F den Laststrom IDC verkraftet.
  • Sehen Sie Anti-Pads (Ground Reliefs) auf den Masse- und Stromversorgungsflächen unterhalb der Anschluss-Pads des Steckverbinders vor. Anti-Pads reduzieren die parasitären Kapazitäten, die den Frequenzbereich von LPOC einschränken.
  • Weitere Layout-Empfehlungen zeigt Bild 10.

Fazit

Der Einsatz fernversorgter Kameras in Automobilen wird bei Designern und Konsumenten immer beliebter. Die in diesem Artikel beschriebene Designprozedur macht es möglich, ein einziges Koaxialkabel zum Übertragen des Videosignals, des Steuersignals und der Versorgungsspannung zwischen Host-Einheit und Kameramodul zu nutzen. Diese Lösung verbindet eine ausgezeichnete Videoqualität mit einfacher Verkabelung und einer Gewichtsreduzierung, die zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs beitragen kann.

Texas Instruments bietet leistungsfähige FPD-Link III SerDes-Chipsätze an, die für Megapixel-Kameramodule mit hoher Störbeständigkeit geeignet sind. Siehe dazu die unten angegebenen Produktinformationen.

Die in diesem Artikel wiedergegebenen Informationen lassen sich auch auf Automotive-Kameramodule und andere Anwendungen mit Fernstromversorgung anwenden.

* T. K. Chin ist System Manager, Automotive Connectivity and Ethernet, bei Texas Instruments.

Artikelfiles und Artikellinks

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