集成式PMIC还是离散电源设计?车载摄像头模组的三种电源设计

Robot Vision

描述

车载摄像头是自动驾驶的眼睛,是自动驾驶领域ADAS系统的核心设备。在车载雷达不能完全实现环境感知与物体识别时,车载摄像头过镜头和图像传感器实现图像信息的采集功能弥补这一部分功能。
 
一个车载摄像头,硬件上包括光学镜头、图像传感器、图像信号处理器 ISP、串行器、连接器等器件。随着摄像头像素的大幅提升,不光光是对芯片的算力提出了更高的要求,还对电源的功率、热管理提出了更高的要求。同时,分辨率、动态范围、帧速率的提升,电源架构也需要做出改变。
 
目前,车载摄像头模组电源设计上大致分为三种方案:完全离散、完全集成以及部分集成。
 
完全离散的设计方案
 

首先来看完全离散的电源设计方案,设计摄像头模块电源部分需要先确定功率预算。一般来说,摄像头模块的电流要求通常由系统中包含的传感器和串行器/解串器决定。另外,在某些情况下,来自ECU的PoC电压是固定的,因此了解所选的PoC电缆是否足以为功率目标提供所需的电流也非常重要。
 

 
(完全离散的架构设计,TI)
 
上图示例为TI采用MIPI CSI-2 视频接口、FPD-Link III 和 POC的模块设计,该摄像头使用同轴电源连接器,由中央ECU供电,而且通过同一条同轴电缆,该摄像头可以将视频数据传输到中央处理器,并通过处理器的I2C反向通道进行初始化。在离散的设计中一个同轴电缆连接器就满足了数字视频、供电、控制以及诊断的需要。
 
完全离散的设计在布局灵活性上非常高,布局的灵活使得这种架构可以设计出空间非常紧凑的方案。虽然这可能需要更多的设计时间来挑选每个不同的IC,但在灵活性上是这几种方案里最高的。
 
完全集成的设计方案

 
全集成的方案很好理解,即采用专用电源管理IC(PMIC)为成像器和外部电路生成所有电源轨。作为管理电子设备电能供应的关键器件,PMIC可以集成多个功能从而更有效地利用空间并管理系统电源,PMIC虽然不起眼但却是模拟芯片最大的细分市场之一。
 
 
(ADAS七通道PMIC,瑞萨)
 
PMIC的高度可拓展性和可编程性意味着可简化包含多个高清摄像头模块的电源设计,以缩短开发周期、降低BOM成本。PMIC提供电源和电压监控,通过同轴电缆传输数据和电力,经高速串行接口将远程汽车摄像头模块连接到显示器或机器视觉处理系统。除了尺寸、效率之外,可扩展性是汽车摄像头模块电源设计中很关键的因素。有着可扩展性/可重用性的PMIC在缩短开发时间并节省开发成本上优势明显。
 
 
(ADAS摄像头模组电源设计,英飞凌)
 
车规级PMIC能最大限度地提高每瓦性能,低功率损耗,同时提高计算密集型平台如SoC、FPGA和应用处理器的系统效率。但这种完全集成的方案由于引脚都是固定的,布局的灵活性会有所降低,可能会导致方案面积增大。不过目前车规级PMIC厂商都在不影响器件性能的前提下尽可能减小了尺寸。
 
部分集成的设计方案
 

与完全集成的PMIC相比,部分集成通过单通道与多通道电源的混合使用简化了部分设计。在保证一定布局灵活性的同时让设计更容易拓展。例如,采用源极开关的部分集成方案可减少引脚数,因为输出引脚还用于检流,通过将引脚合并减少了IC成本及对PCB空间的占用。
 
虽然具备一定的可拓展性,但是部分集成设计的拓展性不像PMIC那么自由,毕竟大多数IC具有不同的电压变化和兼容的器件占用面积。
 
在针对汽车摄像头应用设计电源时,不管选择哪种设计方案,我们都需要将设计的尺寸最小化,以满足汽车摄像头模块外壳的小尺寸要求。对于开关频率也要尽可能避免较低的选择,最好是经过车规认证>2MHz的高频。如果有需要额外保护的设备,可以加上有宽输入的电压稳压器。
 
摄像头模块电源架构对比
 

 
从市场来看,完全集成的高性能车规级PMIC是车载摄像头模组电源最青睐的选择。车规级PMIC,目前国产替代率不高,自动驾驶场景对它的需求又非常大,价格非常坚挺。有无车规级PMIC产品,可以说是区分PMIC厂商能力的分水岭。
 
国外的PMIC大厂自不必说,TI、英飞凌、ADI、ST、NXP、onsemi、Renesas、Microchip、Rohm等都在不断推出符合车规标准的小尺寸、低EMI和高功率密度的PMIC。小尺寸这一方向几乎成了各家厂商比拼的重点,如Rohm在今年推出的车规级PMIC在仅仅3.5mm×3.5mm的封装中内置了车载摄像头所需的4个电源系统,这在业内也是超小的尺寸了。
 
国内玩家也有不少,大多在布局车规级PMIC阶段,比如思瑞浦、圣邦微、必易微、南芯等国产厂商在车用PMIC供应能力建设方面持续投入了多年。车规级PMIC的品类较多,应用场景也有所不同,国产车规PMIC要想在汽车供应链中占据一席之地,不仅要选择一条合适的PMIC发展路线,还要加强技术创新,推出稳定的产品。
 
小结

 
具有集成电压监控器的可编程电源管理集成电路PMIC可以从汽车非功能安全应用扩展到功能安全应用,并无须重新设计电源,这种完全集成的方案在车用摄像头设计上备受青睐。通常汽车摄像头模块电源电路设计要在缩短开发时间和配置更小的摄像头模块间取得平衡,除了尺寸、热性能、电磁兼容性问题和电源抑制比性能之外,也不能忘了可扩展性。

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