【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及雷达传感器芯片领域，特别是一种降低占空比提高阻抗的超低功耗多普勒雷达芯片及其方法，将低频时钟源产生的脉宽较宽的脉宽调制信号(pwm节电脉冲)的脉宽变窄，从而降低占空比以便降低模组平均工作电流的超低功耗多普勒雷达芯片和模组的设计方法。本方案使用提高阻抗的方式减小pwm纹波对探测灵敏度的影响，兼容超低功耗应用和非超低功耗的应用，具有很高的商业价值。
技术介绍
1、门禁等电池供电产品常使用红外热释电传感器识别是否有人接近门禁，从而开启功耗更高的cmos摄像头开始人脸识别和指纹识别。电池供电的夜灯等自动照明设施也需要超低功耗的传感器来识别是否有运动物体靠近灯具，并且保持超长时间的待机能力，减少充电次数，实现人来开灯人走灭灯的自动照明。然而，红外传感器使用菲涅尔透镜，如果透镜过小则灵敏度不高，透镜过大则不好安装，影响外观的美化。另外，红外传感器如果使用时间过长，还可能因为用于制作透镜的有机玻璃老化透明度下降而影响感应灵敏度。在南方炎热的夜晚，红外传感器还会因为人体温度与环境温度基本相同而散失远距离感应能力。
2、使用基于多普勒效应的微波雷达传感器，可以内置于门禁或者灯具内，做到完全隐形，具有独特优势。然而，连续工作的多普勒雷达功耗大，工作电流一般在10ma以上。即使用雷达芯片加低成本的微处理器(mcu)做成的雷达模组的成本已经大幅度降低，但功耗劣势仍然阻碍了雷达传感器替代红外传感器的进程。如果使用脉冲工作方式，让射频电路以低占空比的方式间歇工作，只有中频放大器等微功耗电路长期工作，就可以在不改变算法的条件下降低雷
3、为了产生节电控制脉宽调制信号(pwm)，雷达传感器芯片内需要内置振荡器和基于计数器的pwm信号发生器。然而，一般基于反相器加电阻以及外部电容方式的振荡器需要考虑低温是否起振等问题，功耗很难降低到10ua以内。即使雷达芯片内部集成节电控制脉冲发生器、超低功耗模数转换器和内部处理器做成带触发功能的系统级(soc)雷达芯片，也会因为雷达芯片管脚少不方便设置不同参数等原因，模组上需要另外一个独立的超低功耗mcu。模组上用不同分压电阻设置不同的距离参数和延时参数，外部mcu采样这些设置信号，并通过i2c或者uart口传递给雷达芯片。于是，使用内置处理器的雷达传感器芯片制作的雷达模组，因为微处理器(mcu)的冗余导致成本上升，在千万量级传感器大市场条件下会因成本劣势而很难获得好的投资回报，同时也减缓了雷达传感器替换红外传感器的步伐。关键问题是超低功耗的雷达模组需要1us左右的脉宽调制(pwm)脉宽，如果使用1mhz以上的时钟来产生该脉宽调制(pwm)信号。该时钟不能掉电需要长期工作，微处理器用这个高频时钟的来产生超低功耗雷达模组的pwm控制信号就需要数百微安电流，功耗很难降低，必须在雷达芯片内置超低功耗pwm脉冲信号发生器。
4、cn111867025a公开了了一种低功耗微波传感器及其控制电路，其工作原理，主要是在运放后进行采样电容，其运放是推挽输出，输出端上边是pmos，下边是nmos，运放停止工作时上下mos管都不导通，从而形成高阻抗；相应的其专利为低功耗而非超低功耗，即cu产生相应脉宽的pwm信号需要100ua左右电流。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于：提供一种降低占空比提高阻抗的超低功耗多普勒雷达芯片及其方法，通过提高混频器关断阻抗以减少采样电容在射频电路不工作期间的电荷泄漏量，以及提高放大器输入阻抗来降低中频信号上的pwm纹波，从而尽量保持雷达芯片在pwm节电脉冲控制下射频电路间歇工作时的探测性能，将常规节电方式变成超低功耗的方式，让雷达模组工作电流从数毫安量级降低到数十微安量级。该方法可用于任何带节电控制的运动感应雷达传感器芯片和模组，特别是电池供电的门禁系统，以及从高压分压供电的电容降压方式的低成本球泡灯。
2、一种降低占空比提高阻抗的超低功耗多普勒雷达芯片，包括寄存器和控制电路，通过i2c串行接口读写寄存器，(i2c串行接口为飞利浦公司定义的最初用于消费类产品的2线制串行接口)，用于设置参数；控制电路可接收外部微处理器输出的脉宽调制信号pwm_out，输入到雷达芯片的pwm_in管脚来扩展应用方式，且通过该pwm_in管脚来防止开机大电流；其中，控制电路主体为或门以及与门，它将外部脉宽调制信号与芯片内部的脉宽调制信号相或，而通过与门跟寄存器的控制信号相与的方式禁止内部脉宽调制信号；其中，防止开机大电流的方式是在雷达模组上用电阻连接pwm_in管脚到电源，在芯片低频时钟起振和微处理器正常工作之前，将后述各掉电控制信号置于高电平，让工作电流大的射频电路暂时不工作；
3、带时钟振荡器的粗调脉宽调制信号发生器，与控制电路连接，产生的频率为几百赫兹、占空比为1/m的粗调脉宽调制信号，其中m为8n，n为大于等于1的正整数；
4、模拟延迟电路，与粗调脉宽调制信号发生器连接，通过寄存器设置不同延时时间，将粗调脉宽调制信号延时后产生低电平脉宽数百纳秒到数微秒而周期为数百微秒到几毫秒的精细脉宽调制信号，连接到射频电路中工作电流较大但上电后进入工作状况速度很快的工作频率很高的电路的掉电控制端；
5、压控振荡器，用于产生射频信号和本振信号，且带掉电功能；
6、射频功率放大器，与压控振荡器连接，用于放大射频信号，带掉电功能，射频信号送雷达模组上的收发一体pcb天线，天线发射射频信号并接收回波信号；
7、低噪声射频放大器，与雷达模组上的收发一体pcb天线连接，且带掉电功能，用于将回波信号进行放大；
8、混频器，与低噪声射频放大器和压控振荡器连接，且带掉电功能，将低噪声射频放大器放大后的回波信号和压控振荡器的本振信号进行混频，混频得到的中频信号就是多普勒频率信号；
9、阻抗控制开关，与混频器输出端连接，且雷达模组上设有采样保持电容，采样保持电容一端与阻抗控制开关连接，采样保持电容另外一端接地；
10、差分放大器，作为第一级中频放大器，通过雷达模组上的增益电阻rgp和rgn以及隔直电容cdcp和cdcn与阻抗控制开关连接，将多普勒频率信号放大,同时做共模抑制，减小间歇工作时的共模干扰和其它共模干扰(比如50hz/60hz工频干扰)；其中，差分放大器的输出端通过雷达模组上的反馈电阻rfp和rfn接回差分放大器的输入端，由反馈电阻与增益电阻的比值决定差分放大器的增益；以及
11、单运放，作为第二级中频放大器，其反相输入端通过雷达模组上的增益电阻rg和隔直流电容cdc与差分放大器的任意一个输出端连接，进一步放大多普勒信号并做适当滤波，并将差分放大器的输出接到雷达模组上的内置模数转换器的微处理器，通过模数转换器采样雷达芯片输出的多普勒信号后，通过微处理器区分噪声和有效雷达感应信号；其中，单运放的输出端通过雷达模组上的反馈电阻rf和反馈电容接回单运放的反相输入端，而单运放的同相输入端在芯片内部本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种降低占空比提高阻抗的超低功耗多普勒雷达芯片，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种降低占空比提高阻抗的超低功耗多普勒雷达芯片，其特征在于：所述压控振荡器、射频功率放大器、低噪声射频放大器、混频器在掉电控制信号为低电平时全电流工作，在掉电控制信号为高电平时停止工作几乎不消耗电流。
3.根据权利要求1所述的一种降低占空比提高阻抗的超低功耗多普勒雷达芯片，其特征在于：所述阻抗控制开关，在工作期间接通混频器的输出到采样保持电容和差分放大器的输入，在不工作期间断开混频器与采样保持电容和差分放大器的连接。
4.根据权利要求1所述的一种降低占空比提高阻抗的超低功耗多普勒雷达芯片，其特征在于：差分放大器中芯片管脚可在芯片外接隔直电容Cdcp和隔直电容Cdcn、增益电阻Rgp和增益电阻Rgn、反馈电阻Rfp和反馈电阻Rfn与差分放大器输入输出端连接；
5.根据权利要求1所述的一种降低占空比提高阻抗的多普勒雷达芯片，其特征在于：所述采样保持电容包括第一采样保持电容Csp和第二采样保持电容Csn，所述阻抗控制开关分为第一阻抗控制开关和第二阻抗
6.根据权利要求1所述的一种降低占空比提高阻抗的多普勒雷达芯片，其特征在于：所述单运放中芯片管脚可接隔直电容Cdc、增益电阻Rg、反馈电阻Rf以及单运放的输入输出端，电容Cdc、增益电阻Rg、反馈电阻Rf以及第二放大器依序连接，且两端分别于第一放大器和微处理器连接，第二放大器的同相输入端与共模电压Vcm连接，第二放大器的反相输入端连接于增益电阻Rg、反馈电阻Rf之间。
7.根据权利要求1所述的一种降低占空比提高阻抗的方法，其特征在于：包括如下步骤：
8.根据权利要求1所述的一种降低占空比提高阻抗的方法，其特征在于：步骤3中，将脉宽调制信号的脉宽变窄的方法是将粗调脉宽调制信号(COARSE_PWM)延时某可调时长，然后将延时后的粗调脉宽调制信号与原粗调脉宽调制信号的求反信号相与，然后再求反，得到低电平脉宽变窄的新的脉宽调制信号，其低电平脉宽等于延时时间；相对比的方法是使用数字延时，需要频率很高的时钟源，而这种高频时钟振荡器功耗很大；
9.根据权利要求1所述的一种降低占空比提高阻抗的方法，其特征在于：步骤2中，模拟延时电路实现模拟延时的方法是通过制作一个很小电流的电流源，用反相器将原PWM信号求反后，使用电流镜方式控制PMOS管对电容的充电速度，NMOS做正常的放电；于是，后级电路的上升沿时间变慢，下降压基本不变；将延时后的信号与原PWM信号的反相信号相与，然后再求反，就得到一个窄的低电平脉冲，其脉宽等于延时的时长。为了控制延时的时长，并且弥补工艺偏差导致的误差，可以使用MOS管切换不同的电流源，并且使用MOS切换不同的电容，于是可以得到多种延时组合。其中，某些组合延时时间基本相同，实际组合数略小；因为不同延时的时长下的低电平脉宽不同，新的PWM信号占空比也不同。如果PWM控制信号是在高电平期间射频电路工作，可以将PMOS改成NMOS，或者多做一次反相，或者延时电路的PMOS和NMOS同时使用电流镜控制，也就是同时控制电容的充电速度和放电速度，同时延时上升沿和下降沿；该模拟延时电路功耗极低，一般仅1uA。
10.根据权利要求1所述的一种降低占空比提高阻抗的方法，其特征在于：
...【技术特征摘要】
1.一种降低占空比提高阻抗的超低功耗多普勒雷达芯片，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种降低占空比提高阻抗的超低功耗多普勒雷达芯片，其特征在于：所述压控振荡器、射频功率放大器、低噪声射频放大器、混频器在掉电控制信号为低电平时全电流工作，在掉电控制信号为高电平时停止工作几乎不消耗电流。
3.根据权利要求1所述的一种降低占空比提高阻抗的超低功耗多普勒雷达芯片，其特征在于：所述阻抗控制开关，在工作期间接通混频器的输出到采样保持电容和差分放大器的输入，在不工作期间断开混频器与采样保持电容和差分放大器的连接。
4.根据权利要求1所述的一种降低占空比提高阻抗的超低功耗多普勒雷达芯片，其特征在于：差分放大器中芯片管脚可在芯片外接隔直电容cdcp和隔直电容cdcn、增益电阻rgp和增益电阻rgn、反馈电阻rfp和反馈电阻rfn与差分放大器输入输出端连接；
5.根据权利要求1所述的一种降低占空比提高阻抗的多普勒雷达芯片，其特征在于：所述采样保持电容包括第一采样保持电容csp和第二采样保持电容csn，所述阻抗控制开关分为第一阻抗控制开关和第二阻抗控制开关；
6.根据权利要求1所述的一种降低占空比提高阻抗的多普勒雷达芯片，其特征在于：所述单运放中芯片管脚可接隔直电容cdc、增益电阻rg、反馈电阻rf以及单运放的输入输出端，电容cdc、增益电阻rg、反馈电阻rf以及第二放大器依序连接，且两端分别于第一放大器和微处理器连接，第二放大器的同相输入端与共模电压vcm连接，第二放大器的反相输入端连接于增益电阻rg、反馈电阻rf之间。
7.根据权利要求1所述的一种降低...
【专利技术属性】
技术研发人员：章新明，牛旭磊，何荣文，代林特，
申请(专利权)人：深圳芯盛思技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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