作者：TI公司 Steve Brown，Mathew Jacob

　　設(shè)計要素

　　為汽車攝像機(jī)應(yīng)用中的數(shù)字影像傳感器供電涉及各種不同的設(shè)計要素。影像質(zhì)量是衡量此類應(yīng)用是否能盈利的重要指標(biāo)。在下雨、積雪、霧天以及其他困難的駕駛環(huán)境下，高水準(zhǔn)的影像質(zhì)量是十分必要的。汽車駕駛員在倒車時對該技術(shù)的依賴程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于肉眼檢查。如果模擬電源軌道的低噪聲需求、效率和尺寸等主要設(shè)計要素不能得到優(yōu)化，那么在良好天氣條件下運作良好的解決方案未必能適用于惡劣的天氣條件。

　　高級駕駛員輔助系統(tǒng)

　　例如，Aptina AR0132 是一款普及的傳感器，擁有120萬像素和和 720p60 分辨率，支持高動態(tài)范圍成像，適用于汽車高級駕駛員輔助系統(tǒng) （ADAS） 及周圍視圖／停車輔助攝像應(yīng)用。其中內(nèi)核 （VDD） 及 I/O 部分 （VDD_IO） 需要 1.8V 電壓，模擬部分（VAA、VAA_PIX 和 VDD_PLL）需要 2.8V 電壓。很顯然，該芯片的模擬部分更容易受其電源線噪聲的影響。很多設(shè)計方案都使用了低壓差穩(wěn)壓器 （LDO） 將所有電源從5V的輸入軌道加以降頻轉(zhuǎn)換。

　　設(shè)計目標(biāo)

　　整體目標(biāo)是為 AR0132AT 影像傳感器提供一種實用的電源系統(tǒng)實施方案，使其成功集成至汽車應(yīng)用及封裝中。雖然其它傳感器與系統(tǒng)的詳細(xì)情況可能有所不同，但本文所討論的原理具有普遍的適用性。

　　影像傳感器的尺寸非常重要，因為它必須納入 25 毫米的立方體中，這就對整體效率和良好的散熱管理提出了很高要求。盡管 LDO 具有低噪聲輸出，但其功耗高，會對影像傳感器加熱，造成不良影響，因此在 25 毫米的立方體中工作并不理想。

　　開關(guān)電源解決方案的功耗要低得多，但本質(zhì)上具有更高的輸出紋波和噪聲。在實施開關(guān)電源解決方案時，需要額外注意影像傳感器對其模擬輸入電源軌道的噪聲（紋波）敏感度。

　　設(shè)計過程

　　為設(shè)計出能夠為影像傳感器高效供電的電源系統(tǒng)，有必要知道傳感器敏感度等級和開關(guān)電源的紋波輸出，以便采取相應(yīng)設(shè)計步驟將傳感器電源軌上的紋波降至退化閥值以下。

　　影像傳感器的噪聲閥值測量

　　圖 1 中的簡單電路是用來限定每個傳感器電源軌道的噪聲閥值。

　　圖 1 噪聲閥值測試電路

　　通過在手提電腦上運行的 Aptina Devware 開發(fā)軟件觀察影像質(zhì)量，我們看到發(fā)生器頻率從50kHz提高到了5MHz。就敏感軌道而言，信號大小會不斷減弱，直到不再出現(xiàn)視覺假象為止。

　　本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)7月《汽車電子特刊》Change The World欄目，轉(zhuǎn)載請注明出處！
　　

　　部件選擇考量

　　由于整體電源需求非常低（數(shù)字內(nèi)核／輸入輸出為 0.28W，模擬部分為 0.42W），我們必須選擇額定輸入工作電壓為 13.5V、可在低輸出電流下高效率運作的電源轉(zhuǎn)換 IC?；谶@些因素，我們應(yīng)選擇恒定的時間 （COT） 架構(gòu)。COT 架構(gòu)適用于那些在輕負(fù)載下高效運作，以及只需極小的外部電流容量便可獲得良好的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用。在輕負(fù)載下實現(xiàn)高效率會帶來更多的輸出紋波，這與脈沖頻率調(diào)制 （PFM） 模式方案類似。COT 架構(gòu)可在兩方面提供幫助：效率／散熱管理和解決方案規(guī)模。

　　選擇可承受汽車應(yīng)用中負(fù)載突降電壓（一般是 40V）的部件具有極大的優(yōu)勢，可幫助最大限度地減少或消除輸入保護(hù)電路。

　　電源架構(gòu)

　　由于該傳感器旨在滿足汽車環(huán)境的使用需求，我們自然應(yīng)該選擇 LM34919C作為實例。該器件具有 4.5V-50V 的輸入電壓范圍，是汽車電池供電應(yīng)用的理想選擇。

　　LM34919 前端不僅支持直接通過 12V 的汽車電池為 AR0132 提供 2.8V 電壓，而且還可為 LM3671 1.8V 穩(wěn)壓器提供輸入。

　　圖 2 展示了設(shè)計實例的整體電源架構(gòu)。

　　圖 2 整體電源架構(gòu)

　　滿足影像傳感器的噪聲閥值要求

　　LM34919C 的恒定時間架構(gòu)在 FB 引腳上需要最低 25mVP-P 的紋波才能保持所需的穩(wěn)定性。該 LM34919 的設(shè)計要求與降低影像傳感器敏感電軌的紋波電壓這一設(shè)計意圖恰好相反。

　　圖 3 最低輸出紋波電路

　　為了在保持可靠穩(wěn)定性的同時最大限度降低輸出紋波，我們使用了圖 3 中的紋波抑制電路。該電路不僅可向 FB 引腳提供足夠的紋波，同時還可將輸出端的紋波降低至 10mVP-P 以下。

　　為進(jìn)一步防止紋波產(chǎn)生影像假象，可使用 RC 濾波器保護(hù)敏感電軌。除了提供適當(dāng)?shù)募y波衰減之外，RC濾波器主要是為實現(xiàn)最低功耗而設(shè)計的。盡管測試過程中只有 VAA 和 VAA_PIX 電軌顯示出敏感特性，但也可對 VDD_PLL 電軌（圖 4）進(jìn)行過濾，以防萬一。

　　圖 4 RC 紋波濾波器

　　所有三個電源在 2MHz 附近實現(xiàn)了 40db 的目標(biāo)衰減（圖 5）。從而將影像傳感器的紋波降至 100μV，這比觀察到的任何傳感器噪聲閥值都要低 40db。

　　圖 5 RC 濾波器頻率與瞬態(tài)響應(yīng)仿真

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　　為符合 PLL 電源優(yōu)先的 AR0132AT 電源排序需求，VDD_PLL電源采用了兩極過濾器。

　　在每個實例中，每個電源最后的濾波電容器都可隨影像傳感器的輸入旁路增大一倍。

　　圖 6 最終的電源系統(tǒng)方框圖

　　為方便測試，電源系統(tǒng)實施了子卡設(shè)置，可插在 AR0132 演示前板（最初為所有導(dǎo)軌電壓使用了 LDO）上的排針孔上。其中，未使用的線性穩(wěn)壓器和其它組件被移除。該組合主要用來展示影像質(zhì)量以及替代電源系統(tǒng)的性能。

　　圖 7 具有實驗子卡的演示前板

　　原型驗證

　　影像質(zhì)量

　　如圖 8 所示，不存在電源電氣噪聲引起的可視影像退化。

　　圖 8 使用基于 LM34919 的電源系統(tǒng)時的出色影像質(zhì)量實例

　　效率

　　整體效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被替換的 LDO 穩(wěn)壓器。果不其然，與單路轉(zhuǎn)換的 2.8V 輸出相比，雙路轉(zhuǎn)換的 1.8V 輸出（圖 9）效率較低。

　　圖 9 效率與負(fù)載電流

　　盡管如此，使用 LM3671 替代 LDO 還是會將 1.8V 電源的效率提高 15-20%。查看該結(jié)果的另一種方法是對比在評估板 （EVM） 上實際運行 AR0132AT 時所需的輸入電源。

　　圖 10 顯示，輸入在 5V 和 13V 之間時該數(shù)字是 300 至 400mW。與 LDO 解決方案相比，功耗銳降 2 至 3 倍。

　　圖 10 輸入電源與輸入電壓

　　結(jié)論

　　總之，我們實現(xiàn)了采用高效、內(nèi)斂和小規(guī)格的電源解決方案為 Aptina 影像傳感器供電，以使其提供出色影像質(zhì)量的設(shè)計目標(biāo)。該方案目前可作為參考設(shè)計。

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