作者：Shashank Sharma
本文提及其他零件：IWR1843、IWR6843、LP87702、LP87702-Q1
被動式紅外線感測器與雷射經常用於偵測遠端物體或量測距離，且應用範圍十分廣泛，包含機器人、液位感測、人流計數、自動門與閘門、交通控管等。然而，隨著市場越加重視精密度與韌性，講求能在光線不足、天氣不佳、溫度變化劇烈等嚴苛環境下運作的感測器，毫米波（mmWave）雷達技術無疑將成為未來的市場主流。
毫米波技術具有超寬解析度，不只校正與監測性能更佳，且能產生高度線性的訊號，讓射頻（RF）感測更準確。這些優點有助偵測物體，避免操作智慧型安全堆高機或無人機時，視線受到遮蔽，也能強化感測功能，提升智慧路燈與保全系統的性能。
對於工業自動化使用的無人搬運車（AGV）及協作機器人（cobot）而言，毫米波技術除了準確度高，也能確保操作安全，避免AGV與其他物體碰撞，或是協作機器人造成人員事故。
毫米波能以高準確度進行感測、顯像，並傳送遠端物件的距離、速度與角度等資訊，其中的關鍵在於雷達電源解決方案的低雜訊與散熱性能。
接下來，我會以 60 至 64-GHz IWR6843 與 76 至 81-GHz IWR1843 的毫米波雷達感測器為例，分析雷達處理器電源設計上的挑戰。
我們從最重要的電源規格談起，了解如何有效滿足相關參數要求。
對漣波規格的嚴格要求
漣波是使用切換式穩壓器時產生的不必要干擾，一般會透過設計架構或輸出濾波器加以消除。由於漣波會影響輸出電壓的準確度與雜訊值，因此會連帶影響系統的 RF 性能。
雷達處理器的 RF 軌對於電源漣波和雜訊極為敏感，因為這些因素會影響鎖相迴路、基帶類比數位轉換器與合成器等元件模塊。IWR6843 與 IWR1843 處理器的 RF 軌（1 V 與 1.8 V）對於漣波的要求極高，以微伏特為單位。低壓差線性穩壓器（LDO）由於雜訊低，常用於 RF 軌，但高電流輸出（>1 A）的 LDO 成本高昂，且會影響系統的散熱效能。
為了滿足低漣波的規格需求，我建議使用高切換頻率的穩壓器，如此一來，你可以在設計架構中選用體積較小的被動元件（電感、輸出電容），也能滿足漣波振幅需求。
圖 1 顯示 TI LP87702 元件的輸出漣波性能，該元件搭載兩個 DC/DC 降壓轉換器，具有高切換速率（4 MHz），且不須使用LDO，即可滿足 IWR6843 RF 軌的漣波規格需求。LP87702 也支援展頻切換頻率調變模式，可進一步減少切換頻率突波以及電磁干擾突波。
圖 1：LP87702 的1 V 漣波性能與 IWR6843 漣波規格需求比較，搭配低成本、第二級 LC 濾波器（使用 MPZ2012S101A 鐵氧體磁珠）
散熱性能優化
隨著元件尺寸縮小，印刷電路板每單位面積所產生的熱能也因而增加，這也是毫米波雷達設計面臨的問題。對於精巧的雷達應用，例如箱體為塑膠製的自動割草機或無人機等，電路板升溫不只會縮短毫米波感測器的壽命，也會衝擊 RF 性能，熱管理因此更顯重要。
在雷達電源架構中負責散熱的主要是高輸出電流 LDO ，但這類元件同時會對系統產生大量的熱（>1 W），也會影響 RF 性能。此外，高電流 LDO 不只昂貴，還需要散熱片，導致系統成本進一步提高。設計雷達系統的電源架構時，如果能排除 LDO ，就能避免系統的散熱能力受影響、控制整體成本，也不用外接元件，造成解決方案尺寸過大。
圖 2 顯示 LP87702 整合式電源管理積體電路（PMIC）與外部 DC/DC 降壓穩壓器如何為 IWR6843 或 IWR1483 處理器的所有 RF 軌供電。整合式升壓的 5-V 電源軌能支援控制器區域網路─靈活資料速率介面，也就是一般 AGV 與工業機器人的必要配備。
圖 2：IWR6843/IWR1483 電源原理圖
雙IC解決方案能分散熱點，也不需要使用外部散熱片，有助降低整體系統成本。有了整合式 4 MHz 降壓轉換器（Buck 0 與 Buck 1），便無須配置高電流 LDO，因此能提升整體效率與散熱效能，同時透過低成本LC濾波器滿足 IWR6843 的雜訊規格需求。LP87702 元件也具有過熱防護功能，可為主處理器設定中斷機制。
工業功能安全
在工廠自動化場域中，人類與自動機器人、安全掃描儀的互動越來越頻繁，自動門、工業門與閘門也日漸普及，因此凸顯了工業功能安全標準的重要。這些系統必須能偵測異常並加以處理。
TI 的 LP87702-Q1 雙降壓轉換器能滿足功能安全規範，且晶片達安全完整性等級 2（SIL-2），符合 AGV 與工業機器人等終端設備的規格要求。LP87702-Q1 整合了兩個電壓監控輸入作為外部電源，並配備監測系統，可有效降低系統複雜度，不必再額外配置安全微控制器。此外，LP87702-Q1 的合規晶片也有助縮短上市時間。
SIL 風險等級由國際電子電機委員會（IEC）61508標準頒布，這項國際標準旨在確保人機互動（包含協作機器人）的操作安全。
結論
在雷達處理器 RF 軌供電方面，LDO 雖然具有低雜訊的優點，卻可能造成過熱疑慮、影響 SIL 合規性與系統設計，也需要添加額外元件。因此，不妨考慮採用 PMIC，讓散熱效能更好、設計更簡便。
其他資源
- 瀏覽 LP87702 產品規格表。
- 閱讀使用手冊「毫米波雷達電源設計：LP87702K-Q1」。
- 閱讀應用報告「電源管理優化：低成本 LC 濾波器解決方案」。
