1 應用簡報

引言

如果您購買或曾經乘坐過過去五年制造的車輛，就會發現它很可能至少配備了一個攝像頭。與舊車型相比，新車中用于提高駕駛員和乘員安全性的汽車攝像頭數量和類型正在迅速增加。個人和商用車輛中駕駛員監控、環視、前置和后置攝像頭數量不斷增多，這主要是由政府安全規定和消費者對更多安全功能的需求推動的。

圖 1 ADAS 中的前視、后視和環視攝像頭的應用

與汽車攝像頭類似，工業攝像頭應用也實現了巨大的增長和創新。在新冠疫情爆發后，居家辦公的人群空前增多，許多企業仍在繼續解決員工重返辦公室的問題。隨著居家時間的增加，為了保障個人和財產安全，消費者對智能安全和可視門鈴攝像頭的需求也在增加。在商業方面，在新冠疫情的推動之下，適用于面部識別訪問控制、樓宇占用跟蹤和物體檢測等應用的非接觸式設備（如互聯網協議 (IP) 網絡攝像頭）使用量增加，從而更大限度地降低物理接觸風險。

圖 2 工業攝像機應用，如安防、面部識別訪問和自動化

攝像頭使車輛或網絡系統能夠收集環境數據，然后處理這些數據并采取糾正措施，這往往是自主操作。由于攝像頭將安全輔助或自主駕駛車輛直接連接到周圍環境，因此駕駛員和乘客的安全在很大程度上取決于攝像頭系統的性能。前置攝像頭和后置攝像頭必須能夠支持更高的處理能力，以便在側向來車和碰撞檢測應用中實現快速響應。需要精確地組合多個環視攝像頭圖像，以便可靠地支持自適應巡航控制和盲點檢測等功能。這些攝像頭的性能水平決定了系統檢測潛在危險的距離、在系統檢測到潛在危險之前危險的大小或隱藏程度，以及信息傳輸到汽車中央電子控制單元 (ECU) 的速度。在考慮如何實現高性能駕駛輔助攝像頭時，一個重要因素是攝像頭模塊本身可能出現的極端溫度。眾所周知，在無法容忍高誤差率的應用中，溫度過高或過低對圖像質量和元件運行會產生不利影響。因此，隨著車輛越來越多地依賴攝像頭來實現安全功能，確保攝像頭可靠運行以保護所有駕駛員和乘客比以往更加重要。

在工業攝像頭方面，單元更有可能位于靜態室外位置，無法抵御極端溫度和天氣條件（如雨和雪）的影響。由于智能可視門鈴或 IP 攝像頭中的水分積聚可能會使攝像頭鏡頭起霧、造成電路短路并且通常伴有高溫，因此實時攝像頭饋送的準確性和自動系統采取的以下措施在很大程度上取決于攝像頭性能。工業攝像頭中的溫度和濕度感應都側重于可靠的攝像頭運行，以確保圖像清晰，從而實現安全性和物體識別。網絡安全攝像頭外殼可接收 IP 額定值，以確定攝像頭在外部環境（包括液體、天氣條件和腐蝕）中的保護程度，溫度或濕度感應可為確保攝像頭可靠運行提供另一道保障。

溫度感應在汽車和工業攝像頭中至關重要，可防止因過熱或結冰而導致熱損壞、性能不佳和壽命縮短。攝像頭可能會暴露在極熱和極冷環境條件下以及發熱的電路板元件，例如電源管理多通道 IC (PMIC) 或 IR LED，這些元件會對攝像頭模塊本身的溫度產生很大影響。由于模塊外形小巧，攝像頭自熱特性的這種影響會放大。溫度感應可用于在攝像頭過熱或過冷時發出警報，并激活冷卻或加熱元件以確保性能和壽命不會受到嚴重影響。可以減少流經攝像頭模塊的電流量以保持圖像質量，或在圖像傳感器中執行熱補償以降低傳感器噪聲。

傳感器要求和散熱難題可能會因所設計的汽車或工業攝像頭類型以及溫度傳感器連接到的元件而異。本應用簡報分為兩部分，具體取決于模數轉換器 (ADC) 通道是否可用。同時還討論了兩種情況下常見的攝像頭類型，以強調它們對溫度感應的獨特要求。

ADC 通道不可用

當沒有可用的 ADC 通道時，板載溫度感應要求略有不同。低端驅動器監控、環視攝像頭、可視門鈴和某些 IP 網絡攝像頭等應用通常沒有可用的 ADC 通道，而是需要一種數字、遠程或開關溫度傳感器。環視攝像頭也稱為不具有處理功能的 360° 攝像頭或攝像頭模塊，是更高端車輛上當前的安全選項，未來五到六年將得到大規模采用。環視攝像頭由兩到六個廣角攝像頭組成，它們連接到車輛 ECU，水平視角至少為 180°。將這些攝像頭視圖拼接在一起可提供整個車輛周圍環境的圖像，并可以幫助駕駛員完成典型的高風險功能，如變更車道和泊車。需要進行溫度感應，以確保從不同角度準確合并多個不同的視頻源，從而呈現統一的圖像。

圖 3 緊湊型環視攝像頭模塊

與環視攝像頭一樣，可視門鈴通常安裝在外部，比前置攝像頭、后置攝像頭或 IP 網絡攝像頭更小。由于外形小巧，沒有通風口，并且需要電池在寬溫度范圍內（尤其是零下溫度）保持穩定工作，可視門鈴通常需要更高的熱效率。因此，環境條件以及小型攝像頭模塊內的 PMIC 或電路板元件自熱會影響攝像頭的正常功能。

圖 4 具有高度集成功能的小型可視門鈴

根據系統規格，汽車和工業攝像頭中提供了多種不帶 ADC 通道的溫度感應選項。第一種解決方案可能是數字溫度傳感器，它會主動監測溫度，并可以通過 I2C、SMBus 或 SPI 直接連接到 MCU 或平板顯示器鏈路 (FPD-Link) 串行器。在車輛中，串行器隨后可以將圖像數據傳輸回中央車輛 ECU 或中央攝像頭 ECU，以便啟動任何必要的校正操作。為環視或可視門鈴攝像頭選擇理想數字溫度傳感器時，兩個重要限制因素是尺寸和成本。高精度和小尺寸選項可提供高集成度，例如用于 I2C 接口的 TMP112(-Q1) 和 TMP102(-Q1) 或用于 SPI 的 TMP126(-Q1)，這些選項可用于測量紅外 LED 或 PMIC 溫度以及攝像頭模塊的環境溫度。如果尺寸是主要的系統限制因素，TMP103 和 TMP114 器件采用一些超小封裝來提供有源數字溫度監測。TMP103 是超小型數字溫度傳感器，具有獨特的多器件訪問模式，允許與多個 TMP103 傳感器進行通信。TMP114 是超薄型數字溫度傳感器，允許將器件放置在發熱的板組件（如成像儀）下方，以實現高精度測量。

第二種解決方案是遠程溫度傳感器。這些器件利用內置的本地溫度傳感器以及連接二極管的晶體管，在距離傳感器本身不同的距離內測量多個溫度。單通道器件可測量一個本地溫度和一個遠程溫度，雙通道器件可測量一個本地溫度和兩個遠程溫度，等等。遠程溫度傳感器可在智能可視門鈴中用于測量攝像頭模塊（例如 MCU 或片上系統 (SoC)）內多個位置的溫度，因為高溫會隨著時間的推移降低 SoC 的可靠性和性能。在極端溫度環境中，遠程溫度傳感器可以激活加熱或冷卻元件，以防止內部元件因凍結或過熱而出現機械或電氣故障。根據系統要求，遠程溫度感應有多種選擇。常用的遠程溫度傳感器包括 TMP451(-Q1) 和 TMP461 單通道器件、TMP431 雙通道器件和 TMP464 四通道器件。盡管 TMP451(-Q1) 和 TMP461 都是單通道遠程溫度傳感器，但 TMP461 具有地址引腳，因此將來可以在系統中添加額外的遠程溫度傳感器（如有必要）。

第三種解決方案適用于許多不需要主動溫度監測的低成本攝像頭，它可實現簡單的溫度閾值檢測，并將警報和遲滯作為可靠攝像頭運行的選項。在這些情況下，通常使用一個具有一個閾值（如 TMP302(-Q1)）或兩個閾值（如 TMP390(-Q1)）的溫度開關進行被動溫度監測，在測量的元件超過特定溫度后，可以采取糾正措施。TMP302(-Q1) 是一款出廠時經過編程的器件，與可通過電阻器編程的 TMP390(-Q1) 相比，它具有尺寸更小的優勢。溫度開關可通過通用輸入/輸出 (GPIO) 引腳直接連接到 MCU 或 PMIC。但是，由于攝像頭模塊外形小巧，使用 PMIC 可能會導致溫度超過安全工作限制。環視攝像頭通常需要同時具有過熱和欠溫警報，因為它們會快速升溫并暴露在車輛外部的極端環境條件下。然后，這些警報可用于激活冷卻或加熱系統，以保護攝像頭元件并防止不可逆轉的損壞。

最后，許多安裝在戶外（無論是在車輛外還是建筑物外）或使用百萬像素 (MP) 攝像頭的攝像頭模塊對極端溫度和濕度水平都很敏感。在這些情況下，濕度感應可能是設計系統時需要考慮的一個重要因素，在水分滲入攝像頭模塊的情況下，檢測攝像頭鏡頭是否開始起霧或電氣元件是否可能損壞。HDC2010 和 HDC3x(-Q1) 系列等濕度傳感器可在一個集成器件中提供精確的溫度和濕度感應。

ADC 通道可用

在攝像頭模塊本身的電路板上具有可用的 ADC 通道，這在高端駕駛員監控、前置和后置攝像頭以及某些 IP 網絡攝像頭等應用中頗為常見。前置攝像頭或后置攝像頭系統中通常需要多個溫度傳感器，因為與其他類型的汽車攝像頭相比，這些傳感器包含多種元件和安全協議。此外，一些先進的“智能”前置攝像頭還增加了夜視、前部碰撞警告和自適應巡航控制等功能，這些功能需要攝像頭板提供更高的處理能力，從而縮短響應時間。能夠將預處理數據發送到中央 ECU 對于乘員安全至關重要，因為它會增加車輛必須從 CMOS 傳感器接收到圖像開始采取糾正措施的時間。

圖 5 具有用于板載處理的 ADC 的前置或后置攝像頭模塊

在某些模擬 IP 攝像頭中，如果攝像頭模塊處于惡劣環境中，具有可用的 ADC 通道有助于實現系統可靠性。板載處理支持精確的加熱器或冷卻器激活、用于調光的環境光感應以及均勻的紅外 LED 照明。

圖 6 用于錄制、監控和自動化的 IP 網絡攝像頭

IR LED 故障通常在高溫下發生，原因是隨著溫度升高，輸出容量會降低，這可能會無意中導致系統發生過載故障。在許多情況下，CMOS 成像儀中的集成溫度傳感器的精度不夠高，無法防止熱損壞并降低圖像質量。極端寒冷的天氣會導致攝像頭鏡頭收縮和破裂，從而可能導致水分滲入攝像頭鏡頭。相反，極端炎熱的天氣會導致 CMOS 傳感器和電池過熱，從而導致圖像失真和攝像頭故障。在濕度較高的區域，冷凝可能會使鏡頭起霧或損壞模塊內的電氣元件。由于增加了處理能力，板載處理器通常是發熱元件，必須進行監控以確保攝像頭安全可靠地運行。

當板載 ADC 通道可用時，可考慮多種不同的選項來保護 DMS、前置或后置攝像頭或 IP 網絡攝像頭的可靠性并延長其壽命。ADC 將溫度傳感器的模擬輸出轉換為可由微控制器單元 (MCU) 讀取和處理的數字形式。一些 MCU 附帶內置 ADC，而其他系統在電路板上使用外部 ADC；這兩種選項都有助于支持更高的電路板處理能力。如果需要進行恒溫監控，可以選擇 TI 的線性熱敏電阻系列（例如 TMP61），該系列精度高且長期漂移低。TI 的所有溫度感應產品系列還包括用 -Q1 表示的汽車級溫度傳感器，如 TMP61-Q1。當需要更高的精度時，TMP235(-Q1) 是一款流行的精密模擬輸出溫度傳感器，與熱敏電阻不同，它不是離散的，因此其壓降不受外部元件的影響。盡管可以使用這些外部模擬溫度傳感器實現高溫度精度，但所報告的實際溫度值的分辨率將受到 ADC 分辨率的限制。

此外，板載 ADC 通道不會將您的解決方案限制為僅使用模擬溫度傳感器。上一節中提到的任何溫度或濕度感應解決方案仍可用于具有 ADC 的系統，它只是不使用 ADC 通道。在需要釋放 ADC 通道以連接到其他元件或需要使用更小的傳感器以節省布板空間的系統設計中，仍可以在無需連接到可用 ADC 的情況下實現數字傳感器、遠程傳感器或溫度開關。