通過低噪聲、熱優(yōu)化的電源解決方案提高工業(yè)雷達(dá)的射頻性能

機器人、液位檢測、人數(shù)統(tǒng)計、自動門/閘和交通監(jiān)控等應(yīng)用多年來一直使用無源紅外 (PIR) 傳感器和激光來執(zhí)行物體的遙感和距離測量。然而，隨著對精度的要求越來越高，以及針對照明不足、惡劣天氣條件和極端溫度等環(huán)境影響的高耐用性和恢復(fù)力的需求增加，向毫米波 (mmWave) 雷達(dá)技術(shù)的轉(zhuǎn)變預(yù)計會走得更遠(yuǎn)。

毫米波技術(shù)具有極高的分辨率、更好的校準(zhǔn)和監(jiān)測能力以及高度線性的信號生成，使其適用于射頻（RF）的高精度傳感。通過這些優(yōu)勢，即使在叉車和無人機等需要智能安全的應(yīng)用中的其他方法可能阻礙能見度的情況下，也可以檢測到物體。您還可以增強傳感性能，以提高智能路燈和周邊安全的能力。

對于工業(yè)自動化領(lǐng)域的自動導(dǎo)引車 (AGV) 和協(xié)作機器人 (cobots)，毫米波技術(shù)實現(xiàn)了高精度，以及 AGV 與其他物體、協(xié)作機器人與人類之間的碰撞，它還通過防止接觸事故。

雷達(dá)電源解決方案無噪聲且散熱性能優(yōu)異，因此在高精度檢測遠(yuǎn)處物體的距離、速度和角度，以及進(jìn)行圖像處理和通信方面發(fā)揮著重要作用。

本文以 60-64GHz IWR6843 和 76-81GHz IWR1843 等毫米波雷達(dá)傳感器為例，介紹了各種工業(yè)雷達(dá)處理器的電源設(shè)計挑戰(zhàn)。..

首先，我們將討論最重要的電源規(guī)格以及滿足這些參數(shù)的最佳方式。

嚴(yán)格的紋波規(guī)格

紋波是開關(guān)穩(wěn)壓器的不良副作用之一，通常通過設(shè)計架構(gòu)或輸出濾波器的選擇來抑制。紋波對輸出電壓精度和噪聲水平有直接影響。結(jié)果，系統(tǒng)的射頻性能下降。

雷達(dá)處理器的各種射頻軌容易受到電源紋波和噪聲的影響。這些電源軌為器件內(nèi)的各種模塊供電，例如鎖相環(huán)、基帶 A/D 轉(zhuǎn)換器、合成器等。IWR6843 和 IWR1843 處理器使用射頻軌（1V 和 1.8V），但在微伏 (μV) 單位中具有非常嚴(yán)格的紋波規(guī)格。通常的做法是在多個 RF 軌上使用低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器，重點是低噪聲，但 1A 以上的大電流 LDO 成本高昂，并且會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱狀況不佳。..

建議使用具有高開關(guān)頻率的穩(wěn)壓器來滿足低紋波規(guī)格。因此，您可以在設(shè)計架構(gòu)中選擇更小的無源元件（電感器、輸出電容器）來實現(xiàn)所需的紋波幅度。

圖 1 顯示了 TI 的 LP87702 的輸出紋波性能。該器件包含兩個降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可在 4MHz 的高頻下切換，并在不使用 LDO 的情況下滿足 IWR6843 RF 軌的紋波規(guī)范。LP87702 支持?jǐn)U頻開關(guān)頻率調(diào)制模式，可進(jìn)一步降低雜散幅度和電磁干擾 (EMI) 雜散開關(guān)頻率。

圖 1：“LP87702”的 1V 電壓軌紋波性能與“IWR6843”紋波規(guī)格的比較 -
使用“MPZ2012S101A”鐵氧體的電感器和電容器 (LC) 配置的低成本濾波器安裝在第二級上。

優(yōu)化的散熱特性

由于器件的小型化，印刷電路板單位面積的發(fā)熱量越來越大。毫米波雷達(dá)設(shè)計也不例外。熱管理也是小型雷達(dá)應(yīng)用的優(yōu)先事項，例如自動割草機和塑料外殼的無人機，這不僅會隨著電路板溫度的升高而縮短毫米波傳感器的壽命，還會影響射頻性能。

導(dǎo)致雷達(dá)電源架構(gòu)散熱的主要因素是大電流 LDO。該 LDO 會在系統(tǒng)中產(chǎn)生大量熱量（超過 1W），并且還會影響 RF 性能。此外，大電流 LDO 價格昂貴且需要散熱片，這會增加系統(tǒng)成本。通過在雷達(dá)系統(tǒng)中設(shè)計不使用 LDO 的電源架構(gòu)，可以防止系統(tǒng)降低散熱性能，避免因外部元件而導(dǎo)致總成本增加和解決方案尺寸增加。

圖 2 顯示了 LP87702 的集成 PMIC（電源管理 IC）和外部 DC/DC 降壓穩(wěn)壓器如何為 IWR6843 或 IWR1483 處理器的所有 RF 軌供電。集成升壓電路的 5V 電源軌支持 AGV 和工業(yè)機器人通常需要的 CAN-FD（控制器局域網(wǎng)靈活數(shù)據(jù)速率）接口。

圖 2：“IWR6843”或“IWR1843”的電源框圖

使用兩個 IC 的解決方案分布熱點，通常無需外部散熱器，從而降低整體系統(tǒng)成本。集成的 4MHz 降壓轉(zhuǎn)換器（降壓 0 和降壓 1）消除了對大電流 LDO 的需求，提高了整體效率和熱性能，同時通過低成本 LC 濾波器滿足了 IWR6843 的噪聲性能。

LP87702 還具有過熱保護(hù)功能，通過對主機處理器設(shè)置中斷。

工業(yè)功能安全

各種工業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)變得比以往任何時候都更加重要。這是因為人類越來越多地使用自主機器人、工廠自動化環(huán)境中的安全掃描儀、自動行人門、工業(yè)門/大門等。這些系統(tǒng)需要檢測異常并做出相應(yīng)反應(yīng)。

TI 的 LP87702-Q1 雙降壓轉(zhuǎn)換器在芯片級滿足為 AGV 和工業(yè)機器人等終端產(chǎn)品指定的高達(dá) SIL-2（安全完整性等級 2）的功能安全要求。LP87702-Q1 內(nèi)置兩個用于外部電源的電壓監(jiān)控輸入和一個窗口看門狗，這樣更容易降低系統(tǒng)復(fù)雜性，并且需要添加一個安全微控制器也將消失。通過芯片級認(rèn)證，“LP87702-Q1”也有助于縮短開發(fā)周期。

SIL 的每個風(fēng)險等級由稱為 IEC（國際電工委員會）61508 的國際標(biāo)準(zhǔn)定義，該標(biāo)準(zhǔn)保證包括協(xié)作機器人和人類在內(nèi)的自動化設(shè)備之間的協(xié)作安全運行。

概括

在為雷達(dá)處理器的 RF 軌供電時，可以使用各種 LDO 作為低噪聲選項。然而，LDO 的引入使過熱、SIL 合規(guī)性、系統(tǒng)設(shè)計考慮復(fù)雜化，并且需要額外的組件。作為替代方案，我們建議您考慮使用能夠改善散熱特性并使其更易于設(shè)計的 PMIC。