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    3. 《電子技術應用》
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      簡化下一代物聯網應用的雷達開發

      2022-03-15
      來源:德州儀器

      傳感技術讓許多公司有了提升現有產品功能的機會。例如,在物聯網領域,Omdia預測,在2020年到2024年期間傳感器出貨量將增加近200億個,其中雷達傳感器的年復合增長率大概會達到30%。

      鑒于TI毫米波雷達擁有諸多優勢,包括能夠在惡劣的條件下運行、保護隱私并提供高分辨率的距離、速度和角度信息,其關注度和使用率日漸增長。

      在本文中,我們將提供一些毫米波雷達傳感解決方案優化成本的見解,分享新產品創意的真實案例,并探索實際的電路板設計以加快開發速度。

      對于已經采用毫米波雷達的系統,所節省的成本可以用來提供頗具競爭力的全新價格,借此彌補產品系列的空缺或為客戶提供新的切入點。低成本解決方案還可以幫助印證添加傳感功能以提供新功能、便利性及市場吸引力的合理性。樓宇自動化領域便很好地印證了這些可能性。

      降低毫米波雷達成本

      零售商店自動門供應商可以推出價格更實惠的自動門來形成低成本切入點,這樣可以吸引新客戶,并留存老客戶。成本較低的毫米波解決方案可以通過感知人的存在和方位來確定自動門是否應該打開或關閉,這有助于進行自動門功能擴展。此附加功能可以降低樓宇供熱和降溫成本并減少自動門的整體機械磨損。

      說到降低成本,決策通常都非常容易。然而,與許多決策一樣,在滿足整體產品要求和降低相關成本之間需要權衡取舍。

      典型影響毫米波雷達電路板成本的三個主要方面是:

      ·印刷電路板(PCB)設計

      ·PCB基板材料和制造成本

      ·電子物料清單(eBOM)

      讓我們了解一下這些方面,以及在開發基于TI IWR6843ABGABL傳感器的毫米波雷達電路板時要考慮的“節省”背后的一些概念。

      簡化PCB設計

      從PCB設計的角度來看,目標是避免高密度互連設計并降低復雜性,從而降低電路板制造成本。這可以通過在焊板上用過孔代替微孔以及避免過孔來實現。根據電路板的整體設計,您可能會節約一筆可觀的成本,但是您必須在這些成本節約與可能的整體尺寸增加之間進行權衡。例如,我們在這方面的研究表明大概可以節省40%的成本,而電路板面積增加可忽略不計。

      PCB材料選擇

      許多產品經理和工程團隊都希望在雷達電路板上使用專業的Rogers層壓板,起碼確保在天線層使用。根據TI實驗,我們的經驗數據表明,在天線層使用成本較低的Isola FR408HR層壓板,實際探測距離還是可以接受的。您必須兼顧整體性能和系統要求,這個探測距離對于典型毫米波系統來說還是比較合理的。如圖1所示,采用FR4電路板對最大往返增益會有所影響。


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      圖1:FR4和Rogers電路板比較

      如圖2所示,這一增益差異會導致探測距離略有縮短,但可以說仍在典型毫米波系統的合理性能預期范圍內。

      例如,如圖2所示,最左側圖像表示使用Rogers電路板可以檢測到20m遠的目標。在線性調頻脈沖配置相同的情況下,使用FR4電路板時,由于存在~8dB的增益損耗,探測距離大約會縮短至Rogers電路板的~60%。

      在相同條件下,我們可以通過增加線性調頻脈沖的數量和相干信噪比來增加探測距離。這個方法對于Rogers和FR4都適用。然而,仍然需要進行權衡,例如,如圖2的中間及最右側圖像所示,增加線性調頻脈沖數量后,功耗也會隨之升高。我們不能通過無限增加線性調頻脈沖數量來提升信噪比,因為除了功率之外還需要權衡其他事項,例如硬件支持的有限的片上存儲器、有效的處理能力和刷新率。

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      圖2:Rogers與FR4探測距離

      與Rogers RO4835層壓板相比,Isola FR408HR可大幅降低成本(大概 30%)。除此之外,PCB制造公司更熟悉FR4,這些材料更容易獲得。當使用聲譽卓越且經驗豐富的合作伙伴和供應商時,這份熟悉度和FR408HR各自會進一步幫助降低制造成本。

      縮減eBOM

      雷達電路板最后考慮節約成本的地方是BOM。由于降低成本是主要目標,因此開發人員應該以此為重點來完成分析。在TI,我們發現使用分立式直流/直流轉換器是一種更具成本效益的方式,尤其是對于非安全應用中采用IWR6843AQGABL雷達傳感器電路板的電源子系統。在IWR6843LEVM設計中,我們使用了以下直流/直流器件:TPS628502HQDRLRQ1、TPS6285020MQDRLRQ1、TPS6285018AQDRLRQ1 和 TPS628503QDRLRQ1。這些都是固定輸出電壓器件,成本非常低。也可以考慮將與 TPS628501、TPS628502和TPS628503同一系列的可調電壓型號用于電源管理,從而提供設計靈活性并提供更多庫存管理選項。當用于非汽車類應用時,該選擇較電源管理集成電路(PMIC)替代解決方案可以節省大概10%的總成本。以降低成本為主要目標,在選擇直流/直流解決方案時還應考慮對電壓監控和功能安全的要求。

      總體而言,基于IWR6843AQGABL,我們實現了節約大概10%的成本和電路板面積。

      結語

      從電路板PCB設計、PCB材料和eBOM中節省的成本可以在擴展當前產品系列的同時開辟新的產品機會。適用的市場包括樓宇自動化、工廠自動化和機器人;與這些市場相關的產品包括割草機、低成本壁掛式空調裝置和低成本自動照明系統等。用戶可以通過全新的IWR6843LEVM評估模塊來評估這些節約點。

      現有毫米波SDK可支持IWR6843LEVM。

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