Tech Blog – Power over coax – Jak snížit váhu kabeláže pro ADAS senzory?

Výzvy při návrhu filtru Power-over-Coax pro aplikaci v automobilových kamerách

Luděk Šubrt, vývojové centrum Valeo Praha

Nenahraditelnou součástí každého systému ADAS je senzor, nebo častěji skupina senzorů, poskytující data elektronické řídicí jednotce (ECU), která data zpracovává v reálném čase. Role senzorů v systému je zásadní, protože poskytovaná data mají obrovský dopad na výkonnost systému. I když existuje mnoho různých typů senzorů používaných v automobilovém průmyslu (obrázek 1), jako jsou radarové senzory, ultrazvukové senzory a lidary, tento článek se zaměřuje na kameru – klíčový senzor používaný v systémech Vision Active Safety Systems (bezpečnostní systémy s aktivní viditelností).

Vzhledem k povaze cílového scénáře a typu systému vidění (zadní kamera, Surround View System (systém okolního vidění), Driver Monitoring System (monitorovací systémy řidiče)) jsou automobilové kamery často instalovány na vzdálených místech, jako jsou víka kufru, nárazníky nebo zpětná zrcátka (obrázek 2). Díky tomu může být spojení mezi senzory a řídicí jednotkou v případě osobních automobilů dlouhé minimálně několik metrů a klidně i více než 10 m v případě velkých pick-upů nebo kamionů. Obvykle existují tři různé typy signálů, které je třeba přenést mezi kamerou a řídicí jednotkou (ECU) – sériová videodata, obousměrná komunikace a stejnosměrné napájení. V závislosti na typu systému a požadované funkčnosti jsou pro připojení senzorů potřeba dva nebo tři páry vodičů. To při návrhu systému přináší zvýšení hmotnosti a nákladů. Proto je pro takové připojení vhodné omezit počet použitých vodičů.

Technologie Power-over-Coax (PoC) [1], kde data, komunikace a stejnosměrné napájení sdílejí jeden koaxiální kabelový svazek, se zdá být ideálním řešením výše uvedených problémů. Přináší to výhody ve smyslu snížení hmotnosti a nákladů na kabeláž, ale na druhé straně jsou tu také některé nové výzvy, kterým musí návrhář hardwaru čelit. Protože je například fyzické médium (koaxiální kabel) sdíleno třemi signály se zcela odlišnými charakteristikami – přes 500 Mbps pro dopředný videodatový kanál, asi 3 MHz pro reverzní/zpětný komunikační kanál a nakonec stejnosměrné napájení, musí být na obou stranách komunikační linky použit vysoce výkonný filtr tvořený pasivními komponenty. Obrázek 3 ukazuje příklad charakteristik filtru, který bude použit k demonstraci výzev souvisejících s návrhem. Znázorněná impedance filtru (modrá křivka) umožňuje, aby stejnosměrný proud prošel filtrem s malými ztrátami a zároveň zastavil frekvence zpětného a dopředného kanálu definované v červených oblastech.

Normálně je kamera napájena ze strany řídicí jednotky (ECU), proto jsou ECU i kamera vybaveny PoC filtrem. Filtr na straně řídicí jednotky (ECU) se používá ke sloučení stejnosměrného napájení s videem a komunikačními daty, zatímco úkolem filtru na straně kamery je oddělit stejnosměrné napájení od obrazových a komunikačních dat a zajistit stabilní stejnosměrné napájení obvodů kamery. Typická topologie PoC je znázorněna na obrázku 4.

Návrh filtru není triviálním úkolem, protože je třeba vzít v úvahu mnoho aspektů. Například elektrické vlastnosti reálných pasivních komponentů tvořících filtr, vliv filtru na výkon a integritu signálu vysokorychlostní sériové linky, poklesy napětí způsobené stejnosměrným odporem komponentů a také další aspekty konstrukce specifické pro automobily, jako je zeslabení testovacích impulzů dle ISO a soulad s normami EMC.

Konstrukce filtru Power-over-Coax

Jak bylo uvedeno výše, ideální frekvenční odezvou filtru by byla impedance 0 Ω u stejnosměrného proudu a vysoká impedance v pásmech s komunikací. Ve skutečných konstrukcích je normálně přijatelná impedance nižší než 1 Ω pro stejnosměrný proud a vyšší než 1 kΩ v komunikačních pásmech (viz obrázek 3).

Pokud by existovala ideální tlumivka, stačil by ke splnění výše uvedených kritérií pouhý jeden komponent. Hodnotu tlumivky lze určit na základě následujícího vztahu:

kde L je indukčnost, XL impedance a w je úhlová frekvence.

Pokud se použije výše uvedené kritérium 1 kΩ a minimální frekvence zpětného kanálu, jak je definována na obrázku 3 (2 MHz), je minimální indukčnost pro splnění parametru 79,6 μH. Tlumivka 82 μH je proto dobrou volbou. Obrázek 5 ukazuje impedanční charakteristiku pro ideální tlumivku 82 μH (červená křivka) a také příklad skutečné tlumivky s uvažovanými parazitními parametry. V obou případech je připojen paralelní tlumicí rezistor 2,5 kΩ.

Jak je vidět na obrázku, vlastní rezonanční frekvence tlumivky (SRF) je 9 MHz. Za tímto bodem impedance vlivem parazitů klesá (obrázek 5 – zelená křivka) a dosahuje 1 kΩ při 40 MHz. Navzdory dobré impedanční charakteristice pro pásmo zpětného kanálu není řešení s jedinou tlumivkou schopno zajistit dostatečnou impedanci v celém požadovaném frekvenčním rozsahu, jak je definováno na obrázku 3, a je třeba připojit další sériovou tlumivku, aby pokryla požadované pásmo dopředného kanálu.

Při použití vzorce (1) lze vypočítat požadovanou indukčnost přídavné tlumivky tak, aby pokryla frekvenční rozsah dopředného kanálu začínající na 70 MHz. Na základě reálných vlastností tlumivky a požadovaného pásma může být druhá tlumivka dostačující, nicméně v tomto konkrétním případě je potřeba ještě další tlumivka pro pokrytí nejvyšších frekvencí. Obrázek 6 ukazuje řešení se třemi tlumivkami zohledňující skutečné parametry tlumivek na základě informací poskytnutých výrobcem pasivních komponentů.

Frekvenční odezvu výše uvedeného řešení lze odhadnout pomocí modelů dodaných výrobci. Obrázek 7 ukazuje impedanční charakteristiku vs. frekvenci spolu s požadavky definovanými na obrázku 3. Jak je vidět, impedance filtru je při nízkých frekvencích velmi nízká, což umožňuje, aby stejnosměrný proud procházel filtrem a poskytoval energii pro kameru (obrázek 4). Impedance filtru dosahuje 1 kΩ při 2 MHz a má první maximum při 9 MHz, což je SRF tlumivky 82 μH. Impedance pak klesne pod 1 kΩ při 30 MHz, ale opět dosáhne požadované hodnoty při 70 MHz. SFR tlumivky 2,2 μH je 137 MHz a poté se impedance opět sníží, ale neklesne pod 1 kΩ v dalším minimu. Konečně třetí tlumivka (330 nH) s SRF 400 MHz zajišťuje, že impedance neklesne pod limit před dosažením 700 MHz. Filtr tedy vyhovuje vstupním požadavkům.

Další konstrukční úvahy a omezení

Výběr vhodných tlumivek pro filtr PoC je složitý úkol. Je třeba vzít v úvahu nejen skutečné frekvenční charakteristiky komponentů. Mnoho modelů nebere v úvahu některé další parametry, které mají negativní vliv na indukčnost, jako je proud, teplota a tolerance komponentů [2].

Také nadměrný stejnosměrný odpor induktoru ve filtru může způsobit nepřijatelný pokles napětí, který snižuje použitelné napětí a generuje teplo. Tlumivky pro vyšší proudy jsou fyzicky větší, což má negativní dopad na velikost desek plošných spojů (PCB) a také na výkon směrem k vyšším frekvencím. Zřejmým řešením by bylo zvýšit vstupní napětí kamery, a tím snížit velikost proudu potřebného pro kameru. Takové řešení má však negativní dopad na energetickou účinnost hlavního zdroje napájení kamery, což má za následek neefektivnost a dodatečné teplo generované na desce plošných spojů. Další nevýhodou vyššího vstupního napětí je zvýšené napěťové namáhání ostatních komponentů připojených před hlavním napájením. Například kondenzátory připojené na toto vedení by musely vydržet vyšší napětí, což znamená jejich větší velikost obalu. Volba napětí a proudu systému je vždy kompromisem a mezi oběma hodnotami a je třeba najít vhodné hodnoty.

V článku byly popsány hlavní výzvy a potenciální problémy s filtry Power-over-Coax pro automobilové aplikace. Návrh začíná požadavky definovanými na základě frekvenčního spektra jak zpětného, tak dopředného kanálu. Bylo ukázáno, proč je ke splnění požadavků potřeba použít více tlumivek. Byla prezentována simulovaná charakteristika s ohledem na skutečné parametry komponentů a byly diskutovány některé další úvahy ve vztahu k proudu a napětí používanému pro napájení kamer. Přesná data od výrobců komponentů jsou kritická pro úspěšný návrh filtru PoC.

Ačkoli se tento článek zabývá řetězcem kamera-řídicí jednotka (ECU) a jeho obvody, výzvy, poznámky k návrhu a výsledky jsou obecně použitelné pro jakýkoli senzor nebo zařízení napájené pomocí technologie Power-over-Coax (PoC).

Reference
[1] Sending Power Over Coax in DS90UB913A Designs, Application Report, Texas Instruments, Dallas, Texas, June 2014.
[2] Chip Inductors, Catalogue, Murata Manufacturing Company, Kyoto, Japan. November 2013,