简化下一代物联网应用的雷达开发
作者 | 电子工程世界2022-03-15

传感技术让许多公司有了提升现有产品功能的机会。例如,在物联网领域,Omdia预测,在2020年到2024年期间传感器出货量将增加近200亿个,其中雷达传感器的年复合增长率大概会达到30%。

鉴于TI毫米波雷达拥有诸多优势,包括能够在恶劣的条件下运行、保护隐私并提供高分辨率的距离、速度和角度信息,其关注度和使用率日渐增长。

在本文中,我们将提供一些毫米波雷达传感解决方案优化成本的见解,分享新产品创意的真实案例,并探索实际的电路板设计以加快开发速度。

对于已经采用毫米波雷达的系统,所节省的成本可以用来提供颇具竞争力的全新价格,借此弥补产品系列的空缺或为客户提供新的切入点。低成本解决方案还可以帮助印证添加传感功能以提供新功能、便利性及市场吸引力的合理性。楼宇自动化领域便很好地印证了这些可能性。

降低毫米波雷达成本

零售商店自动门供应商可以推出价格更实惠的自动门来形成低成本切入点,这样可以吸引新客户,并留存老客户。成本较低的毫米波解决方案可以通过感知人的存在和方位来确定自动门是否应该打开或关闭,这有助于进行自动门功能扩展。此附加功能可以降低楼宇供热和降温成本并减少自动门的整体机械磨损。

说到降低成本,决策通常都非常容易。然而,与许多决策一样,在满足整体产品要求和降低相关成本之间需要权衡取舍。

典型影响毫米波雷达电路板成本的三个主要方面是:

• 印刷电路板(PCB)设计

• PCB基板材料和制造成本

• 电子物料清单(eBOM)

让我们了解一下这些方面,以及在开发基于TI IWR6843ABGABL传感器的毫米波雷达电路板时要考虑的“节省”背后的一些概念。

简化PCB设计

从PCB设计的角度来看,目标是避免高密度互连设计并降低复杂性,从而降低电路板制造成本。这可以通过在焊板上用过孔代替微孔以及避免过孔来实现。根据电路板的整体设计,您可能会节约一笔可观的成本,但是您必须在这些成本节约与可能的整体尺寸增加之间进行权衡。例如,我们在这方面的研究表明大概可以节省40%的成本,而电路板面积增加可忽略不计。

PCB材料选择

许多产品经理和工程团队都希望在雷达电路板上使用专业的Rogers层压板,起码确保在天线层使用。根据TI实验,我们的经验数据表明,在天线层使用成本较低的Isola FR408HR层压板,实际探测距离还是可以接受的。您必须兼顾整体性能和系统要求,这个探测距离对于典型毫米波系统来说还是比较合理的。如图1所示,采用FR4电路板对最大往返增益会有所影响。

FR4和Rogers电路板比较

图1:FR4和Rogers电路板比较。

如图2所示,这一增益差异会导致探测距离略有缩短,但可以说仍在典型毫米波系统的合理性能预期范围内。

例如,如图2所示,最左侧图像表示使用Rogers电路板可以检测到20m远的目标。在线性调频脉冲配置相同的情况下,使用FR4电路板时,由于存在~8dB的增益损耗,探测距离大约会缩短至Rogers电路板的~60%。

在相同条件下,我们可以通过增加线性调频脉冲的数量和相干信噪比来增加探测距离。这个方法对于Rogers和FR4都适用。然而,仍然需要进行权衡,例如,如图2的中间及最右侧图像所示,增加线性调频脉冲数量后,功耗也会随之升高。我们不能通过无限增加线性调频脉冲数量来提升信噪比,因为除了功率之外还需要权衡其他事项,例如硬件支持的有限的片上存储器、有效的处理能力和刷新率。

Rogers与FR4探测距离

图2:Rogers与FR4探测距离

与Rogers RO4835层压板相比,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,这些材料更容易获得。当使用声誉卓越且经验丰富的合作伙伴和供应商时,这份熟悉度和FR408HR各自会进一步帮助降低制造成本。

缩减eBOM

雷达电路板最后考虑节约成本的地方是BOM。由于降低成本是主要目标,因此开发人员应该以此为重点来完成分析。在TI,我们发现使用分立式直流/直流转换器是一种更具成本效益的方式,尤其是对于非安全应用中采用IWR6843AQGABL雷达传感器电路板的电源子系统。

在IWR6843LEVM设计中,我们使用了以下直流/直流器件:

TPS628502HQDRLRQ1、TPS6285020MQDRLRQ1、TPS6285018AQDRLRQ1 和 TPS628503QDRLRQ1。这些都是固定输出电压器件,成本非常低。也可以考虑将与 TPS628501、TPS628502和TPS628503同一系列的可调电压型号用于电源管理,从而提供设计灵活性并提供更多库存管理选项。当用于非汽车类应用时,该选择较电源管理集成电路(PMIC)替代解决方案可以节省大概10%的总成本。以降低成本为主要目标,在选择直流/直流解决方案时还应考虑对电压监控和功能安全的要求。

总体而言,基于IWR6843AQGABL,我们实现了节约大概10%的成本和电路板面积。

结语

从电路板PCB设计、PCB材料和eBOM中节省的成本可以在扩展当前产品系列的同时开辟新的产品机会。适用的市场包括楼宇自动化、工厂自动化和机器人;与这些市场相关的产品包括割草机、低成本壁挂式空调装置和低成本自动照明系统等。用户可以通过全新的IWR6843LEVM评估模块来评估这些节约点。

现有毫米波SDK可支持IWR6843LEVM。

其他资源:

• 查看工业毫米波雷达传感器

• 要获取演示、实验、应用和源代码,请查看工业毫米波传感器工具箱


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