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DC-DC芯片在车载以太网摄像头中的设计应用9 L2 V& Y9 x8 u' R- {3 r, `& R
& d9 { [3 O7 d3 Z 随着汽车电子的不断进步，车载以太网也进入了一个快速发展的阶段，其中车载以太网摄像头的开发和应用尤为迅速。实际上摄像头在车上是属于ADAS系统的部件，而ADAS系统本身涉及到车辆自身、驾乘人员其他车辆、人、物的安全，因而对ADAS系统的可靠性、耐用性要求极高。 : m+ _! @& Y9 c- b( T
值得注意的是，ADAS系统供电部分的设计对系统可靠性的影响非常大。因此在进行电源电路设计时，需要选择高可靠性的器件、增加相应的保护措施、预留足够的设计余量、顾及到电源系统的散热性能，对整个系统设计意义重大。- y' Y! G! Y/ e) x7 e$ Q
( K" d" \9 _5 H" X8 F
在开发一款车载以太网摄像头的设计中，选择Ricoh的DC-DC芯片R1245S003E作为12V转3.3V的电源方案。车载以太网摄像头内部架构和电源电压需求，如下图：
, N: u& N8 u8 ^
% ]/ d ]3 r$ O; Y" x. S& `
整个方案需要3.3V、2.8V和1.8V三种电源，其中3.3V由12V DC-DC转换，2.8V和1.8V由 LDO 从3.3V转换。下面和大家一起分享下选择 DC/DC转换器 R1245S003E的理由和设计注意事项。 - v2 y' y4 |' Y( S. C" \( \1 K4 ]# w
一、器件选型2 b5 C# y# t* n! g
首先，介绍下车载以太网摄像头产品对DC-DC电源的要求：" ?3 z( `4 O6 k/ T. v) G, _- w# R3 H
1）满足AEC-Q100认证要求! ^5 l7 T6 b# a7 p: e N6 `
2）需要承受大于25V的输入电压' i3 `- r9 A8 `1 o: S
3）需要输出短路保护功能3 F! ~, z- P; x
4）需要过热关断保护功能
0 I Q# s+ I) Z+ e7 N/ D$ ^5）需要较小的静态电流消耗2 A( _& b0 J. [$ d+ U
6）较高的开关频率保证效率和合适的封装尺寸
7 y" S0 ]$ t% G- d# N$ Z7）输出能力预留20%的实际电流需求余量/ L, L- m3 T8 |! H
' g$ h. Y8 Y. i6 [) Q/ a# @ {下面看Ricoh R1245S003E是否满足DC-DC的设计要求，如下R1245x系列的主要特性。) f! A( P) M6 y/ q% X$ m% K M. n
• 最大输入电压范围：4.5V至30V（32V）（注释：满足车载摄像头电压输入要求）
7 \* Q9 P7 @! k- h• 工作温度范围：-40°C至105°C（注释：满足车载摄像头工作温度要求）5 O g2 @" ] D& K# B
• 内部集成N-MOSFET： Ron=0.35欧姆（Typ.）% I0 V2 J7 |- a; Q
• 使用外部电阻，实现可调的输出电压：0.8V or more/ h, u' B. O2 D8 ]" d: k9 X, c/ _6 M
• 反馈电压和误差：0.8V±1.0%! ]% h: {4 y5 _% j. k
• 输出电流限制： 2.0A（Typ.）（注释：满足车载摄像头系统3.3V 600mA电流要求）& z6 a$ V: S7 P8 S
• 低电压锁定： 4.0V（Typ.）( Q+ @7 u5 J# p, C& O$ g9 T+ X
• 工作频率： ~330kHz （A/B version）
; @8 Y6 X1 L. r/ L8 @ ~500kHz （C/D version） ~1000kHz（E/F version）
4 N/ ^2 k8 O( ? T J ~2400kHz（G/H version）
0 |/ _; G$ k3 X （注释：1000KHz开关频率满足效率要求）
g6 O0 K% ?6 {( G" O% C• Fold-back 保护频率： ~170kHz（B/D版本）2 |( y X# B: f
~250kHz（F版本） ~400kHz（H版本）
( |- Z3 d5 {& f: K+ s1 u• 闭锁保护延迟时间：4ms（Typ.） for A/C/E/G版本（注释：满足输出短路保护要求）
; ?. g b% m+ r" r: u* a2 l6 m• 热关断保护：160°C（Typ.）（注释：满足热保护要求）
! g$ [/ s3 m: n* z; x• 输入输出陶瓷电容推荐6 ~# w8 T( n+ j( W: |0 _0 I
• 待机电流：0μA（Typ.） （注释：满足待机低电流要求）
3 J7 J+ I1 I5 Q9 k• 封装类型：HSOP-8E， DFN2020-8（注释：5.2mmX6mm HSOP-8E满足实际设计要求）8 {- e3 n5 m0 p# X6 x6 I5 k2 S
• AEC-Q100 认证封装：HSOP-8E（注释：满足AEC-Q100要求）* Q' c6 p u% d. B+ b/ S$ Y, `9 I5 e
, h. O. c! }9 y5 M0 ]! {
以上可以看出，R1245S003E完全满足产品的设计需求。同时比较了价格接近的TI LM5XX 芯片，相对R1245S003E，LM5XX缺少短路保护，同时静电流偏大（23uA），所以设计选择了R1245S003E。
h, K9 U0 O) m6 U+ |# Q" [' S0 U
三、设计注意事项9 k5 q6 h" Z! }3 P
1）器件选型时，输出的电容ESR尽可能小，输出电容ESR会影响电源纹波，ESR越小，纹波越小；
; Y1 d) Y' x- B" t8 m1 r5 M2）输出端的电感值和电容值选择要配合好.如果电感值较大，会导致动态响应不够。相反，如果电感值小，电流感应量可能会增加太多，电源输出不稳定；
) s6 r; u0 R z* I5 g6 Y& G; e3）Layout布局时，Vin的电容需要靠近IC摆放，而且电容连接GND的pintrace要尽可能的短；
2 S% u Q/ G3 Q4 G2 X, m4）IC背面散热GNDPAD，对于多层板，为了获得更好的散热效果，要尽可能多打一些过孔，连接到其他层GND，利用其他层的GND铺铜辅助散热；0 g9 O/ X% b+ a
5）R32、R33反馈电阻靠近ICFB#pin，反馈回路要尽可能短，也要避免其他信号都其的干扰。
" K7 f) k; _) V* L, |四、设计过程中遇到问题
3 v1 F, S1 E2 O' h; ? 设计最开始选择了内部工作频率为2400kHz的G版本IC，目的是减少电感值从而减小电感尺寸。但是产品在85℃环境温度的可靠性测试条件下，发现Camera Sensor工作时有一些噪点，经测量发现Camera Sensor温度偏高。
) Z6 @/ L8 @( J+ B# P 因为车载摄像头体积相对较小，PCB板子面积被压缩很小，电源IC和Camera Sensor、Camera Processor、Ethernet PHY集体产生的热能都就被释放在摄像头内部狭小的空间。所以必须优化每个IC的效率，减少其热能产生，同时加强热能传导到摄像头外壳才能解决问题。 9 R4 j$ i# b) G/ `& l
经过分析，后来选择了内部工作频率为1000kHz的E版本，测试发现PCB整体温度有所降低，Camera Sensor工作噪点的问题消失。原因是芯片内部工作频率越高，IC 内部high side MOSFET的内阻产生的功率消耗越大。导致IC温度过高，增加了整个PCBA体的温度，影响到Camera Sensor的工作。 * O+ M, d# C5 c. C2 @. }
经过严格的可靠性测试，R1245S003E完全满足车载以太网摄像头的设计要求，在汽车导航，音响，车载其他以太网设备上推荐使用。同时，电源IC内部工作频率的选择的问题，并不是越高越好，需要考虑IC内部热量的产生或者EMI等方面的问题。 0 u( Z, @: \* e$ S& i$ J
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发表于 2020-2-12 11:45
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发表于 2020-2-12 23:05
