如何選擇車用相機模組的電源供應器
作者：德州儀器系統工程師Matt Sauceda
隨著車用相機技術在解析度、動態視野、幀率 (frame rates)不斷進步，電源供應架構更需要貼近特定使用情境的需求。本篇文章將探討三個增強車用相機模組的策略：
- 全離散式 (Fully discrete)
- 全整合式 (Fully integrated)
- 部分整合式 (Partially integrated)
本篇文章將聚焦在小型相機模組，其不包含資料處理功能，而是直接把原始影像資料傳送給另一個電子控制單位。這些模組時常用於環景顯示、駕駛監控、替代後視鏡系統，且使用來自影像資料輸出同軸電纜(coaxial cable)上的前級電源電壓。
相機模組需要多少功率？
設計相機模組電源的第一步，要先概算每組電源所需的功率預算。這項資訊連同同軸電纜供電 (PoC，power-over-coax)上的電壓，對於選擇電源的策略至關重要。
攝影感測器與其外部電路所需的電流，隨著感測器不同以及外部連接裝置，變化幅度甚大。一般而言，較低電壓的成像器電源 (圖1中的 1.2V 和 1.8V) 需要最大的電流，而最高供應電壓(成像器的 2.9V)需要最小電流。因為 2.9V電源影響的是成像器的類比電流供應、進而影響影像品質表現，所以選擇電源供應需十分謹慎，須保持乾淨不能有雜訊。其內的 FPD- Link 裝置、連同其上下層裝置，都會從這一個功率預算支取電流。
圖1：計算各軌道的功率預算
如果每一組電源的雜訊抑制表現很好，就可以使用低壓差線性穩壓器(LDO)，但當功率預算有限時，此方法便不太可行。此外，增加電流會對接頭和導線造成負擔，且會增加相機發熱的機率，導致效能變差。
如表1的計算範例，電流需求一般而言是固定的，取決於系統中的感測器以及 FPD-Link 裝置。在此範例中，成像器軌道是 1.2V、1.8V、2.9V，FPD-Link 裝置用的是同一個 1.8V電源，其所需的電流如紅色框框所示。
表1：成像器軌道 1.2V、1.8V、2.9V 的計算範例
在此範例，透過同軸電纜的 PoC 電源首先降至 3.3V，再提供電源給相機模組的其他系統。2.9V 的感測器類比電源�� LDO 輸出直接相連，其他的電源供應則是連接於降壓轉換器。1.8V電源同時為 DS90UB953-Q1與成像器介面供電。由於 DS90UB953-Q1串化器所消耗的電流遠遠高於成像器介面，因此提供給成像器的 1.8V電流可以忽略不計。成像器 2.9V 類比電源需要 63mA、DS90UB953-Q1串化器需 225mA、成像器數位 1.2V 軌道需 388mA的電流。為了簡化計算，假設以效率 100% 進行概算，3.3V 電源供應則需 327mA 的電流才能成功供電給1.2V、1.8V與2.9V電源。
由於輸入與輸出電壓、輸出電流要求與總體瓦特消耗為已知數值，輸入電流可依據下列公式計算：
(PoC 電壓)*(電流需求) = 3.3-V * 327 mA
針對 12V 的 PoC 電壓，ECU將提供 90mA的電流
在某些情況下，PoC 電壓是透過 ECU 固定的，因此必須了解所選擇的 PoC 電纜和網路是否為功率目標提供所需的電流。對於 2W 相機模組的要求，固定的 5 V 電源可提供400 mA的電流，而12 V電源可提供 166 mA 的電流。
對於較大的PoC電纜長度，應選擇較大的PoC電壓，以確保電纜上的IR壓降最低。 PoC電流會在電纜、鐵氧體磁珠(ferrite beads)、電感器和任何串聯電阻上產生壓降，並將減少影響攝像機模組調節器性能的電壓餘量。在PoC電壓值由設計人員決定的情況下，電纜規格通常規定了網路可以提供的電流量，這將驅動網路的電壓要求。
車用相機模組的三種架構
表2為三種電源架構的優劣比較：
表2：相機模組電源架構比較
供電考量
設計車用應用時，有幾項考量會限制電源供應的選擇，其中重要系統層級規格包括：
- 縮小整體設計體積，以配合車用相機模組的小型封裝。這類封裝截面積大約落在 20mm x 20mm，並可容納至 M12 筒狀塑膠封裝(M12 barrel plastic enclosure)
- 避免 AM 頻道干擾，所有的切換電源供應都要避開 AM 的 540-1700 kHz 頻道
- 避免較低的開關頻率，才無需使用大電感。應當選擇：
- 高頻開關器(>2MHz)
- 符合汽車電子協會 Q100 等級的裝置
- 需要額外保護的電子元件(如 short-to-battery)可以用寬 Vin 穩壓器設計
印刷電路板限制
圖2中的成像器採用行動產業處理器介面（MIPI，Mobile Industry Processor Interface）的相機序列介面（CSI-2，Camera Serial Interface），導孔透過受控阻抗路徑將 FPD-Link 裝置與成像器連接起來。成像器的CSI-2網路透過導孔引出並連接到中間層。
此導孔陣列對小型電路板加諸了許多限制，因其限制了電源裝置可以配置的區域。為了將耦合最小化，特別是在開關電源或訊號網路周圍，應避免 CSI-2 網路與電源過度鄰近或相鄰並適當地屏蔽，因為開關雜訊可能會耦合到 CSI 網路上。
圖2：DS90UB953-Q1 與成像器的模型電路板線路圖
選擇電源架構
電源架構將根據您的設計需求而有所不同，請參考下列參考設計，協助您了解更詳細的規格，進而簡化設計：
