通过低噪声、热优化的电源解决方案提高工业雷达的射频性能

机器人、液位检测、人数统计、自动门/闸和交通监控等应用多年来一直使用无源红外 (PIR) 传感器和激光来执行物体的遥感和距离测量。然而，随着对精度的要求越来越高，以及针对照明不足、恶劣天气条件和极端温度等环境影响的高耐用性和恢复力的需求增加，向毫米波 (mmWave) 雷达技术的转变预计会走得更远。

毫米波技术具有极高的分辨率、更好的校准和监测能力以及高度线性的信号生成，使其适用于射频（RF）的高精度传感。通过这些优势，即使在叉车和无人机等需要智能安全的应用中的其他方法可能阻碍能见度的情况下，也可以检测到物体。您还可以增强传感性能，以提高智能路灯和周边安全的能力。

对于工业自动化领域的自动导引车 (AGV) 和协作机器人 (cobots)，毫米波技术实现了高精度，以及 AGV 与其他物体、协作机器人与人类之间的碰撞，它还通过防止接触事故。

雷达电源解决方案无噪声且散热性能优异，因此在高精度检测远处物体的距离、速度和角度，以及进行图像处理和通信方面发挥着重要作用。

本文以 60-64GHz IWR6843 和 76-81GHz IWR1843 等毫米波雷达传感器为例，介绍了各种工业雷达处理器的电源设计挑战。..

首先，我们将讨论最重要的电源规格以及满足这些参数的最佳方式。

严格的纹波规格

纹波是开关稳压器的不良副作用之一，通常通过设计架构或输出滤波器的选择来抑制。纹波对输出电压精度和噪声水平有直接影响。结果，系统的射频性能下降。

雷达处理器的各种射频轨容易受到电源纹波和噪声的影响。这些电源轨为器件内的各种模块供电，例如锁相环、基带 A/D 转换器、合成器等。IWR6843 和 IWR1843 处理器使用射频轨（1V 和 1.8V），但在微伏 (μV) 单位中具有非常严格的纹波规格。通常的做法是在多个 RF 轨上使用低压差 (LDO) 稳压器，重点是低噪声，但 1A 以上的大电流 LDO 成本高昂，并且会导致系统发热状况不佳。..

建议使用具有高开关频率的稳压器来满足低纹波规格。因此，您可以在设计架构中选择更小的无源元件（电感器、输出电容器）来实现所需的纹波幅度。

图 1 显示了 TI 的 LP87702 的输出纹波性能。该器件包含两个降压 DC/DC 转换器，可在 4MHz 的高频下切换，并在不使用 LDO 的情况下满足 IWR6843 RF 轨的纹波规范。LP87702 支持扩频开关频率调制模式，可进一步降低杂散幅度和电磁干扰 (EMI) 杂散开关频率。

图 1：“LP87702”的 1V 电压轨纹波性能与“IWR6843”纹波规格的比较 -
使用“MPZ2012S101A”铁氧体的电感器和电容器 (LC) 配置的低成本滤波器安装在第二级上。

优化的散热特性

由于器件的小型化，印刷电路板单位面积的发热量越来越大。毫米波雷达设计也不例外。热管理也是小型雷达应用的优先事项，例如自动割草机和塑料外壳的无人机，这不仅会随着电路板温度的升高而缩短毫米波传感器的寿命，还会影响射频性能。

导致雷达电源架构散热的主要因素是大电流 LDO。该 LDO 会在系统中产生大量热量（超过 1W），并且还会影响 RF 性能。此外，大电流 LDO 价格昂贵且需要散热片，这会增加系统成本。通过在雷达系统中设计不使用 LDO 的电源架构，可以防止系统降低散热性能，避免因外部元件而导致总成本增加和解决方案尺寸增加。

图 2 显示了 LP87702 的集成 PMIC（电源管理 IC）和外部 DC/DC 降压稳压器如何为 IWR6843 或 IWR1483 处理器的所有 RF 轨供电。集成升压电路的 5V 电源轨支持 AGV 和工业机器人通常需要的 CAN-FD（控制器局域网灵活数据速率）接口。

图 2：“IWR6843”或“IWR1843”的电源框图

使用两个 IC 的解决方案分布热点，通常无需外部散热器，从而降低整体系统成本。集成的 4MHz 降压转换器（降压 0 和降压 1）消除了对大电流 LDO 的需求，提高了整体效率和热性能，同时通过低成本 LC 滤波器满足了 IWR6843 的噪声性能。

LP87702 还具有过热保护功能，通过对主机处理器设置中断。

工业功能安全

各种工业功能安全标准变得比以往任何时候都更加重要。这是因为人类越来越多地使用自主机器人、工厂自动化环境中的安全扫描仪、自动行人门、工业门/大门等。这些系统需要检测异常并做出相应反应。

TI 的 LP87702-Q1 双降压转换器在芯片级满足为 AGV 和工业机器人等终端产品指定的高达 SIL-2（安全完整性等级 2）的功能安全要求。LP87702-Q1 内置两个用于外部电源的电压监控输入和一个窗口看门狗，这样更容易降低系统复杂性，并且需要添加一个安全微控制器也将消失。通过芯片级认证，“LP87702-Q1”也有助于缩短开发周期。

SIL 的每个风险等级由称为 IEC（国际电工委员会）61508 的国际标准定义，该标准保证包括协作机器人和人类在内的自动化设备之间的协作安全运行。

概括

在为雷达处理器的 RF 轨供电时，可以使用各种 LDO 作为低噪声选项。然而，LDO 的引入使过热、SIL 合规性、系统设计考虑复杂化，并且需要额外的组件。作为替代方案，我们建议您考虑使用能够改善散热特性并使其更易于设计的 PMIC。