Kfz-Kameramodule: Drei Techniken zur Eindämmung von Spannungswelligkeiten

Ist es Ihnen beim Testen des Videosignals eines neu entwickelten Kameramoduls auch schon passiert, dass sich Balken langsam über das Bild bewegten, dass das Bild farbverfälscht war oder dass überhaupt kein Bild ankam? Dann sollten Sie sich diese drei Designtechniken zur Eindämmung von Spannungswelligkeiten näher ansehen.

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Probleme mit neu entwickelten Kameramodulen können mehrere Ursachen haben: Störungen aus einem Schaltnetzteil, Spannungswelligkeit über Frames oder Zeilen, eine zu hohe Systemtemperatur oder auch Schäden an einem Bildaufnehmer. In diesem Beitrag werden nun drei Designtechniken zur Eindämmung von Spannungswelligkeiten vorgestellt, die durch Lastsprünge von einem Bildaufnehmer und einem Image Signal Processor (ISP) verursacht werden.

Die Grundlage bilden zwei Referenzdesigns, nämlich das Automotive 1MP Camera Module Reference Design with YUV422 Output, FPD-Link III and Power Over Coax und das Automotive 1MP Camera Module Reference Design with YUV422, FPD-Link III and 4V-36V Power Over Coax. Bild 1 (Bildergallerie) zeigt das Blockschaltbild des Referenzdesigns für ein 4 V-36 V Power Over Coax Kameramodul. Frühere Designkonzepte für Kameramodule berücksichtigten ausschließlich den Bildaufnehmer, jedoch stellten sich durch die Hinzunahme eines ISP ganz neue Herausforderungen ein.

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Wegen der Frame- und Zeilenwechsel kann die dynamische Belastung durch den Bildaufnehmer und den ISP zu einer erheblichen Welligkeit der analogen Versorgungsspannungen führen. Zum Beispiel ändert sich die Stromaufnahme beim Wechsel auf ein neues Frame oder eine neue Zeile sprungförmig: Während einer Zeile oder eines Frames werden 100 bis 200 mA aufgenommen, doch in den Zeiten dazwischen sind es nur 10 bis 20 mA: Bild 2 zeigt in gelb den tatsächlichen Verlauf des Laststroms auf der 2,8-V-Leitung, während die Spannungswelligkeit in Pink dargestellt ist. Dieses Oszillogramm, das an der ersten Version der Schaltung aufgenommen wurde, macht deutlich, dass etwas gegen die unerwartete Welligkeit getan werden musste.

Bei den Oszillogrammen in Bild 3 und 4 handelt es sich um die schnellen Fourier-Transformationen (FFT) der Laststromverläufe auf der 2,8-V- bzw. der 1,8-V-Leitung. Gemessen habe ich die Lastströme, indem ich die Ferritperlen zwischen der Stromversorgung und den Entkopplungskondensatoren der betreffenden Leitung durch eine Drahtschleife ersetzte, an der ich einen auf Masse bezogenen Stromtastkopf platzierte.

Zu beachten sind die unterschiedlich hohen Frequenzgehalte nahe 0 Hz bis in den Bereich von 400 kHz hinein zwischen der 2,8-V-Laststromkurve in Bild 3 und der 1,8-V-Laststromkurve in Bild 4. Die Spitze bei 2 MHz resultiert übrigens aus der Schaltfrequenz der Buck-Wandler.

1. Technik: Reduktion oder Weglassung der Ferritperlen

Die erste Technik, auf die ich eingehen will, ist die Verwendung von Ferritperlen. Sie wissen sicher, dass Ferritperlen zur Isolation von Störungen oder zur Eindämmung hochfrequenter Störungen dienen. Es gibt jedoch Fälle, in denen Ferritperlen zwischen der Versorgungsleitung und der Stromversorgung die Spannungswelligkeit sogar erhöhen können. In einigen Situationen kann sich die Spannungswelligkeit am Bildaufnehmer gar verdoppeln.

Die Zeilen- und Frameraten liegen näher an 0 Hz (typisch 22,4 - 44,8 kHz bzw. 30 - 60 Hz), und die Belastung während der Zeilen und Frames erfordert recht dynamische Ströme. Die Lastsprünge erfolgen so schnell, dass sich praxisübliche Stromversorgungen nicht stabilisieren können, bevor es zum nächsten Lastsprung kommt. Selbst beim Testen können die gängigen programmierbaren Lastprüfungs-Geräte Lastsprünge nur mit einer Rate von 15 kHz erzeugen. Die ursprünglich empfohlene Ferritperle wies einen beträchtlichen Gleichstromwiderstand von 500 mΩ auf, sodass der dynamische Laststrom durch diesen Widerstand eine Spannung erzeugt, die sich mit der Formel U = I∙R recht gut berechnen lässt.

Das Resultat kann ähnlich wie in Bild 5 aussehen. Wird eine Ferritperle benutzt, sollte diese einen niedrigen Gleichstromwiderstand haben, damit diese niederfrequente Spannungswelligkeit möglichst effektiv reduziert wird, während gleichzeitig die hochfrequenten Störungen wie ursprünglich beabsichtigt eingedämmt werden. Die Oszillogramme in den Bildern 5 und 6 machen deutlich, wie sich das Entfernen der Ferritperle auf der analogen 2,8-V-Leitung auswirkt.

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