Power-Tipp Stromversorgungen für Kfz-Frontkameras designen

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Beim Design von Stromversorgungen für Frontkameras im Fahrzeug steht der Entwickler vor vier Herausforderungen: Minimale Abmessungen der Gesamtlösung, Funktionale Sicherheit, Kosten und thermische Eigenschaften. Was das Design mit mehrkanaligen PMICs bringt.

Frontkameras sind ein wichtiger Bestandteil von Kfz-Fahrassistenzsystemen und werden unter anderem für die Fußgängerdetektierung, Spurhalteassistenten und die Verkehrszeichenerkennung genutzt (Bild 1).

Beim Design der Stromversorgungen für Frontkameras ergeben sich verschiedene Herausforderungen, die von den Abmessungen über die Funktionale Sicherheit, niedrige Kosten bis hin zu thermischen Aspekten reichen.

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Kleine Abmessungen der Gesamtlösung: Der Einbauraum hinter der Windschutzscheibe ist naturgemäß knapp, zumal ein Kameramodul unter Umständen zwei Kameras mit unterschiedlichen Brennweiten beherbergen muss. Außerdem gibt es einen Trend zu höheren Auflösungen und Bildraten, während die Abmessungen immer kleiner werden.

Bild 2 zeigt das Blockschaltbild eines Frontkamera-Systems, das neben der eigentlichen Kamera auch ein elektronisches Steuergerät (Electronic Control Unit, ECU) enthält. Der eingebaute Mikrocontroller (MCU) des Kameramoduls bearbeitet die Roh-Bilddaten, bevor diese per Camera Serial Interface (CSI)-2 an das ECU gestreamt werden. Die Stromversorgung erfolgt mithilfe eines mehrkanaligen Power-Management ICs (PMIC), der aus einer niedrigen Eingangsspannung die notwendigen Versorgungsspannungen für den Bildsensor und die Verarbeitungsfunktionen erzeugt.

Die Bildverarbeitungs-Prozessoren in Frontkamera-Anwendungen enthalten Hardwarebeschleuniger beispielsweise für die Tiefen- und Bewegungserkennung, während für KI-Funktionen ein spezieller Matrizenmultiplikations-Beschleuniger vorhanden ist.

Infolge dieses großen Verarbeitungsaufwands sollte der PMIC die nötigen Ströme liefern können, ohne dass sich die Lösungsabmessungen übermäßig erhöhen. Sein Lastsprungverhalten sollte auf den wechselnden Strombedarf des KI-Prozessors abgestimmt sein, wobei die Ausgangskapazität aus Platzgründen minimal sein soll. Die Integration von Abwärtswandlern, Low-Dropout-Reglern, Lastschaltern, Spannungswächtern, Sequencern, Watchdog-Timern, Fehlersignalisierungs-Modulen und weiteren universellen Ein- und Ausgängen in einem einzigen Baustein reduziert den Platzbedarf gegenüber einer diskreten Lösung erheblich.

Bewährt hat sich eine zweistufige Architektur. Die Bordnetzspannung von 12 V wird dabei zunächst von einem Wandler, der mit seinem weiten Eingangsspannungsbereich sowohl Spannungsspitzen bis 36 V als auch Spannungseinbrüche bis 3 V herab verkraftet, in eine geregelte Zwischenspannung von 5 oder 9 V umgewandelt, aus der schließlich die Mehrkanal-PMICs gespeist werden.

Funktionale Sicherheit: Da die Frontkamera auch für Systeme wie Notbremsassistenten oder Abstandsregel-Tempomaten benutzt wird, hat der Functional-Safety-Aspekt große Bedeutung. Die Frontkamera muss nicht selten dem Automotive Safety Integrity Level (ASIL) B entsprechen, sodass dieselbe Anforderung auch für den PMIC gilt, der das Kamerasystem versorgt. Gefordert sind deshalb unter anderem Spannungswächter für die verschiedenen PMIC-Ausgänge, ein Watchdog-Timer zum Detektieren von Softwarefehlern und eine Funktion zur Signalisierung von Hardwarefehlern.

Niedrige Kosten: Die Forderung nach niedrigen Kosten resultiert in erster Linie aus den hohen Produktionsstückzahlen von Pkw und Leicht-Lkw. Stark kostensenkend wirkt sich hier insbesondere die Reduzierung des Bauteileaufwands aus, also die Verwendung hochintegrierter Bauelemente auf Basis der passenden Technologie. Ein PMIC spart Platz und bündelt mehrere Stromversorgungs-Komponenten in einem einzigen Baustein.

Thermische Eigenschaften: Die Lage der Frontkamera an der Windschutzscheibe bringt es mit sich, dass sie schon unter normalen Betriebsbedingungen hohen Temperaturen ausgesetzt sein kann, die für vermehrtes thermisches Rauschen sorgen und die Bildqualität beeinträchtigen können – besonders bei schlechten Lichtverhältnissen. Erschwerend kommen die kleine Leiterplattenfläche und die Wärmeentwicklung in der Kamera selbst hinzu. Ein PMIC mit guten thermischen Eigenschaften kann hier entscheidend dazu beitragen, den Temperaturanstieg auf der Leiterplatte in Grenzen zu halten. (kr)

* Gerold Dhanabalan ist Product Marketing Engineer bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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