簡(jiǎn)化下一代物聯(lián)網(wǎng)應用的雷達開(kāi)發(fā)

傳感技術(shù)讓許多公司有了提升現有產(chǎn)品功能的機會(huì )。例如，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)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(gè)，其中雷達傳感器的年復合增長(cháng)率大概會(huì )達到30%。

鑒于TI毫米波雷達擁有諸多優(yōu)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(guān)注度和使用率日漸增長(cháng)。

在本文中，我們將提供一些毫米波雷達傳感解決方案優(yōu)化成本的見(jiàn)解，分享新產(chǎn)品創(chuàng )意的真實(shí)案例，并探索實(shí)際的電路板設計以加快開(kāi)發(fā)速度。

對于已經(jīng)采用毫米波雷達的系統，所節省的成本可以用來(lái)提供頗具競爭力的全新價(jià)格，借此彌補產(chǎn)品系列的空缺或為客戶(hù)提供新的切入點(diǎn)。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(chǎng)吸引力的合理性。樓宇自動(dòng)化領(lǐng)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(dòng)門(mén)供應商可以推出價(jià)格更實(shí)惠的自動(dòng)門(mén)來(lái)形成低成本切入點(diǎn)，這樣可以吸引新客戶(hù)，并留存老客戶(hù)。成本較低的毫米波解決方案可以通過(guò)感知人的存在和方位來(lái)確定自動(dòng)門(mén)是否應該打開(kāi)或關(guān)閉，這有助于進(jìn)行自動(dòng)門(mén)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(dòng)門(mén)的整體機械磨損。

說(shuō)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(mǎn)足整體產(chǎn)品要求和降低相關(guān)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(gè)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(kāi)發(fā)基于TI IWR6843ABGABL傳感器的毫米波雷達電路板時(shí)要考慮的“節省”背后的一些概念。

簡(jiǎn)化PCB設計

從PCB設計的角度來(lái)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(guò)在焊板上用過(guò)孔代替微孔以及避免過(guò)孔來(lái)實(shí)現。根據電路板的整體設計，您可能會(huì )節約一筆可觀(guān)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(jìn)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(chǎn)品經(jīng)理和工程團隊都希望在雷達電路板上使用專(zhuān)業(yè)的Rogers層壓板，起碼確保在天線(xiàn)層使用。根據TI實(shí)驗，我們的經(jīng)驗數據表明，在天線(xiàn)層使用成本較低的Isola FR408HR層壓板，實(shí)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(gè)探測距離對于典型毫米波系統來(lái)說(shuō)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(huì )有所影響。

圖1 FR4和Rogers電路板比較

如圖2所示，這一增益差異會(huì )導致探測距離略有縮短，但可以說(shuō)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(xiàn)性調頻脈沖配置相同的情況下，使用FR4電路板時(shí)，由于存在~8dB的增益損耗，探測距離大約會(huì )縮短至Rogers電路板的~60%。

在相同條件下，我們可以通過(guò)增加線(xiàn)性調頻脈沖的數量和相干信噪比來(lái)增加探測距離。這個(gè)方法對于Rogers和FR4都適用。然而，仍然需要進(jìn)行權衡，例如，如圖2的中間及最右側圖像所示，增加線(xiàn)性調頻脈沖數量后，功耗也會(huì )隨之升高。我們不能通過(guò)無(wú)限增加線(xiàn)性調頻脈沖數量來(lái)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。

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(yù)卓越且經(jīng)驗豐富的合作伙伴和供應商時(shí)，這份熟悉度和FR408HR各自會(huì )進(jìn)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(kāi)發(fā)人員應該以此為重點(diǎn)來(lái)完成分析。在TI，我們發(fā)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(chē)類(lèi)應用時(shí)，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(shí)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(shí)現了節約大概10%的成本和電路板面積。

結語(yǔ)

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(chǎn)品系列的同時(shí)開(kāi)辟新的產(chǎn)品機會(huì )。適用的市場(chǎng)包括樓宇自動(dòng)化、工廠(chǎng)自動(dòng)化和機器人；與這些市場(chǎng)相關(guān)的產(chǎn)品包括割草機、低成本壁掛式空調裝置和低成本自動(dòng)照明系統等。用戶(hù)可以通過(guò)全新的IWR6843LEVM評估模塊來(lái)評估這些節約點(diǎn)。

現有毫米波SDK可支持IWR6843LEVM。