本發(fā)明涉及雷達傳感器芯片領(lǐng)域，特別是一種降低占空比提高阻抗的超低功耗多普勒雷達芯片及其方法，將低頻時鐘源產(chǎn)生的脈寬較寬的脈寬調(diào)制信號(pwm節(jié)電脈沖)的脈寬變窄，從而降低占空比以便降低模組平均工作電流的超低功耗多普勒雷達芯片和模組的設(shè)計方法。本方案使用提高阻抗的方式減小pwm紋波對探測靈敏度的影響，兼容超低功耗應(yīng)用和非超低功耗的應(yīng)用，具有很高的商業(yè)價值。

背景技術(shù)：

1、門禁等電池供電產(chǎn)品常使用紅外熱釋電傳感器識別是否有人接近門禁，從而開啟功耗更高的cmos攝像頭開始人臉識別和指紋識別。電池供電的夜燈等自動照明設(shè)施也需要超低功耗的傳感器來識別是否有運動物體靠近燈具，并且保持超長時間的待機能力，減少充電次數(shù)，實現(xiàn)人來開燈人走滅燈的自動照明。然而，紅外傳感器使用菲涅爾透鏡，如果透鏡過小則靈敏度不高，透鏡過大則不好安裝，影響外觀的美化。另外，紅外傳感器如果使用時間過長，還可能因為用于制作透鏡的有機玻璃老化透明度下降而影響感應(yīng)靈敏度。在南方炎熱的夜晚，紅外傳感器還會因為人體溫度與環(huán)境溫度基本相同而散失遠距離感應(yīng)能力。

2、使用基于多普勒效應(yīng)的微波雷達傳感器，可以內(nèi)置于門禁或者燈具內(nèi)，做到完全隱形，具有獨特優(yōu)勢。然而，連續(xù)工作的多普勒雷達功耗大，工作電流一般在10ma以上。即使用雷達芯片加低成本的微處理器(mcu)做成的雷達模組的成本已經(jīng)大幅度降低，但功耗劣勢仍然阻礙了雷達傳感器替代紅外傳感器的進程。如果使用脈沖工作方式，讓射頻電路以低占空比的方式間歇工作，只有中頻放大器等微功耗電路長期工作，就可以在不改變算法的條件下降低雷達芯片的平均工作電流，從而實現(xiàn)微功耗的雷達模組，讓雷達傳感器替代紅外傳感器成為可能。

3、為了產(chǎn)生節(jié)電控制脈寬調(diào)制信號(pwm)，雷達傳感器芯片內(nèi)需要內(nèi)置振蕩器和基于計數(shù)器的pwm信號發(fā)生器。然而，一般基于反相器加電阻以及外部電容方式的振蕩器需要考慮低溫是否起振等問題，功耗很難降低到10ua以內(nèi)。即使雷達芯片內(nèi)部集成節(jié)電控制脈沖發(fā)生器、超低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器和內(nèi)部處理器做成帶觸發(fā)功能的系統(tǒng)級(soc)雷達芯片，也會因為雷達芯片管腳少不方便設(shè)置不同參數(shù)等原因，模組上需要另外一個獨立的超低功耗mcu。模組上用不同分壓電阻設(shè)置不同的距離參數(shù)和延時參數(shù)，外部mcu采樣這些設(shè)置信號，并通過i2c或者uart口傳遞給雷達芯片。于是，使用內(nèi)置處理器的雷達傳感器芯片制作的雷達模組，因為微處理器(mcu)的冗余導(dǎo)致成本上升，在千萬量級傳感器大市場條件下會因成本劣勢而很難獲得好的投資回報，同時也減緩了雷達傳感器替換紅外傳感器的步伐。關(guān)鍵問題是超低功耗的雷達模組需要1us左右的脈寬調(diào)制(pwm)脈寬，如果使用1mhz以上的時鐘來產(chǎn)生該脈寬調(diào)制(pwm)信號。該時鐘不能掉電需要長期工作，微處理器用這個高頻時鐘的來產(chǎn)生超低功耗雷達模組的pwm控制信號就需要數(shù)百微安電流，功耗很難降低，必須在雷達芯片內(nèi)置超低功耗pwm脈沖信號發(fā)生器。

4、cn111867025a公開了了一種低功耗微波傳感器及其控制電路，其工作原理，主要是在運放后進行采樣電容，其運放是推挽輸出，輸出端上邊是pmos，下邊是nmos，運放停止工作時上下mos管都不導(dǎo)通，從而形成高阻抗；相應(yīng)的其專利為低功耗而非超低功耗，即cu產(chǎn)生相應(yīng)脈寬的pwm信號需要100ua左右電流。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于：提供一種降低占空比提高阻抗的超低功耗多普勒雷達芯片及其方法，通過提高混頻器關(guān)斷阻抗以減少采樣電容在射頻電路不工作期間的電荷泄漏量，以及提高放大器輸入阻抗來降低中頻信號上的pwm紋波，從而盡量保持雷達芯片在pwm節(jié)電脈沖控制下射頻電路間歇工作時的探測性能，將常規(guī)節(jié)電方式變成超低功耗的方式，讓雷達模組工作電流從數(shù)毫安量級降低到數(shù)十微安量級。該方法可用于任何帶節(jié)電控制的運動感應(yīng)雷達傳感器芯片和模組，特別是電池供電的門禁系統(tǒng)，以及從高壓分壓供電的電容降壓方式的低成本球泡燈。

2、一種降低占空比提高阻抗的超低功耗多普勒雷達芯片，包括寄存器和控制電路，通過i2c串行接口讀寫寄存器，(i2c串行接口為飛利浦公司定義的最初用于消費類產(chǎn)品的2線制串行接口)，用于設(shè)置參數(shù)；控制電路可接收外部微處理器輸出的脈寬調(diào)制信號pwm_out，輸入到雷達芯片的pwm_in管腳來擴展應(yīng)用方式，且通過該pwm_in管腳來防止開機大電流；其中，控制電路主體為或門以及與門，它將外部脈寬調(diào)制信號與芯片內(nèi)部的脈寬調(diào)制信號相或，而通過與門跟寄存器的控制信號相與的方式禁止內(nèi)部脈寬調(diào)制信號；其中，防止開機大電流的方式是在雷達模組上用電阻連接pwm_in管腳到電源，在芯片低頻時鐘起振和微處理器正常工作之前，將后述各掉電控制信號置于高電平，讓工作電流大的射頻電路暫時不工作；

3、帶時鐘振蕩器的粗調(diào)脈寬調(diào)制信號發(fā)生器，與控制電路連接，產(chǎn)生的頻率為幾百赫茲、占空比為1/m的粗調(diào)脈寬調(diào)制信號，其中m為8n，n為大于等于1的正整數(shù)；

4、模擬延遲電路，與粗調(diào)脈寬調(diào)制信號發(fā)生器連接，通過寄存器設(shè)置不同延時時間，將粗調(diào)脈寬調(diào)制信號延時后產(chǎn)生低電平脈寬數(shù)百納秒到數(shù)微秒而周期為數(shù)百微秒到幾毫秒的精細脈寬調(diào)制信號，連接到射頻電路中工作電流較大但上電后進入工作狀況速度很快的工作頻率很高的電路的掉電控制端；

5、壓控振蕩器，用于產(chǎn)生射頻信號和本振信號，且?guī)У綦姽δ埽?/p>

6、射頻功率放大器，與壓控振蕩器連接，用于放大射頻信號，帶掉電功能，射頻信號送雷達模組上的收發(fā)一體pcb天線，天線發(fā)射射頻信號并接收回波信號；

7、低噪聲射頻放大器，與雷達模組上的收發(fā)一體pcb天線連接，且?guī)У綦姽δ埽糜趯⒒夭ㄐ盘栠M行放大；

8、混頻器，與低噪聲射頻放大器和壓控振蕩器連接，且?guī)У綦姽δ?，將低噪聲射頻放大器放大后的回波信號和壓控振蕩器的本振信號進行混頻，混頻得到的中頻信號就是多普勒頻率信號；

9、阻抗控制開關(guān)，與混頻器輸出端連接，且雷達模組上設(shè)有采樣保持電容，采樣保持電容一端與阻抗控制開關(guān)連接，采樣保持電容另外一端接地；

10、差分放大器，作為第一級中頻放大器，通過雷達模組上的增益電阻rgp和rgn以及隔直電容cdcp和cdcn與阻抗控制開關(guān)連接，將多普勒頻率信號放大,同時做共模抑制，減小間歇工作時的共模干擾和其它共模干擾(比如50hz/60hz工頻干擾)；其中，差分放大器的輸出端通過雷達模組上的反饋電阻rfp和rfn接回差分放大器的輸入端，由反饋電阻與增益電阻的比值決定差分放大器的增益；以及

11、單運放，作為第二級中頻放大器，其反相輸入端通過雷達模組上的增益電阻rg和隔直流電容cdc與差分放大器的任意一個輸出端連接，進一步放大多普勒信號并做適當濾波，并將差分放大器的輸出接到雷達模組上的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器的微處理器，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣雷達芯片輸出的多普勒信號后，通過微處理器區(qū)分噪聲和有效雷達感應(yīng)信號；其中，單運放的輸出端通過雷達模組上的反饋電阻rf和反饋電容接回單運放的反相輸入端，而單運放的同相輸入端在芯片內(nèi)部接到1/2電源電壓的參考電平上；雷達模組上的隔直電容cdc大小決定高通濾波器帶寬，而雷達模組上的反饋電容大小決定低通濾波器的帶寬；

12、其中，微處理器為帶低頻時鐘的具有低功耗工作模式和休眠模式的低功耗微處理器，且微處理器有定時喚醒功能，休眠模式下微處理器內(nèi)核停止工作以降低功耗，但低頻時鐘繼續(xù)震蕩，喚醒定時器繼續(xù)計數(shù)；另外，微處理器輸出的脈寬調(diào)制信號pwm_out，在占空比不太低且功耗要求不苛刻時可以使用微處理器產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號送雷達芯片的pwm_in輸入端口，并且微處理器做中斷方式的同步采樣，以減小脈寬調(diào)制紋波的影響，提高性能。

13、一種降低占空比提高阻抗的方法，包括如下步驟：

14、步驟1，控制電路的pwm_in輸入端口接上拉電阻到電源，在上電初期數(shù)微妙時間內(nèi)將射頻電路控制信號上拉到高電平關(guān)閉射頻電路，防止開機大電流；此后芯片內(nèi)部時鐘振蕩器開始工作，粗調(diào)脈寬調(diào)制信號發(fā)生器已經(jīng)產(chǎn)生粗調(diào)脈寬調(diào)制信號控制射頻電路進行間歇工作，該粗調(diào)脈寬調(diào)制信號可輸送給模擬延時電路或者輸出到微處理器做中斷采樣或者休眠喚醒(int/wake?up)；

15、步驟2，延時采用芯片寄存器設(shè)置的低功耗模擬延時電路，產(chǎn)生數(shù)百納秒到數(shù)微秒的模擬延時，將步驟1的粗調(diào)脈寬調(diào)制信號延時后產(chǎn)生低電平脈寬數(shù)百納秒到數(shù)微秒而周期為數(shù)百微秒到幾毫秒的精細脈寬調(diào)制信號；

16、步驟3，外部標準微處理器通過i2c讀寫寄存器的方式控制芯片內(nèi)部使能和延遲時間或者使用pwm_en管腳控制芯片內(nèi)部的脈寬調(diào)制信號的使能，將芯片內(nèi)部產(chǎn)生的占空比可調(diào)的脈寬調(diào)制信號，送雷達傳感器芯片的射頻電路掉電控制端口；其中，使能控制的實現(xiàn)方式為通過與門將pwm_en控制信號與芯片內(nèi)部產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號相與生成精調(diào)脈寬調(diào)制信號(fine?pwm)，pwm_en為低電平時，精調(diào)脈寬調(diào)制信號fin_pwm變成恒低電平，pwm_en為高電平時，精調(diào)脈寬調(diào)制信號fine_pwm為芯片內(nèi)部產(chǎn)生的占空比可調(diào)的脈寬調(diào)制信號；

17、步驟4，壓控振蕩器產(chǎn)生射頻信號和本振信號，射頻信號經(jīng)功率放大器放大后通過收發(fā)一體pcb天線發(fā)射；其中，壓控振蕩器和功率放大器都有掉電控制端口，改變掉電端口的電平可讓它們迅速開始工作或者迅速停止工作；

18、步驟5，收發(fā)一體pcb天線接收回波信號，并經(jīng)低噪聲射頻放大器放大后，回波信號和本振信號通過混頻器進行混頻得到多普勒頻率信號；其中，低噪聲射頻放大器和混頻器都有掉電控制端口，改變掉電端口的電平可讓它們迅速開始工作或者迅速停止工作；

19、步驟6，混頻器輸出的多普勒頻率信號經(jīng)過一個阻抗變換開關(guān)(sw)后到采樣保持電容csp和csn和差分放大器(第一級中頻放大器a)；其中，混頻器輸出幅度由混頻器工作電流和漏極上的負載電阻rsp和rsn決定，負載電阻越大，輸出幅度越大；其中，阻抗變換開關(guān)(sw)在射頻電路工作期間閉合，在射頻電路不工作期間斷開；混頻器停止工作期間，其直流電壓會因為負載電阻沒有斷開而被上拉到射頻電路的電源電壓vdd；相對比地，如果在負載電阻支路串入用pmos和nmos做的模擬開關(guān)(sw)，也可以起到提高阻抗的作用，但這樣要求mos開關(guān)可以工作在射頻頻率；

20、步驟7，采樣保持電容上的信號電壓經(jīng)過隔直流電容接差分放大器輸入端，其增益電阻rgp、rgn；使用大電阻以提高差分放大器的輸入阻抗，同時等比例加大反饋電阻rfp、rfn；保持需要的放大倍數(shù)即保持原增益，利用差分放大器的共模抑制能力盡可能抑制共模干擾和共模噪聲，供后級放大器進一步放大；

21、步驟8，差分放大器輸出電壓經(jīng)過隔直流電容cdc后，送單運放進一步放大，同時可以在反饋電阻rf上并聯(lián)適當大小的反饋電容做低通濾波，減小pwm紋波和各種噪聲；

22、步驟9，微處理器內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對模擬中頻信號數(shù)字化，做算法處理，判斷是否輸出雷達感應(yīng)的觸發(fā)信號。

23、較之前技術(shù)而言，本發(fā)明的有益效果為：

24、1、本方案采用低頻振蕩器和初調(diào)pwm信號發(fā)生器相結(jié)合產(chǎn)生的精調(diào)pwm信號的方式，實現(xiàn)了極低功耗的pwm信號產(chǎn)生；采用模擬延時的方式降低pwm信號的脈寬，用極低的功耗產(chǎn)生特別小的占空比(一般小于3ua)，極大地降低了雷達芯片平均射頻電流，從而降低了給雷達芯片的供電的電路成本；因為不依賴微處理器(mcu)提供pwm信號(mcu提供pwm信號一般需要100ua以上電流)，低功耗微處理器以低頻時鐘和采樣后休眠再喚醒的方式運行，mcu的平均功耗極低功耗，從而降低雷達模組的總功耗，適用于電池供電場景；本方案提高了采樣保持電容兩端的阻抗，保障雷達芯片平均工作電流降低后感應(yīng)距離下降很少，盡可能低保持了雷達模組的性能；

25、本方案的pwm工作脈寬很窄，雷達芯片射頻電路工作時間很短(0.5us,1us，2us等)。一般混頻器輸出內(nèi)阻在數(shù)百歐姆范圍，這么短的時間內(nèi)讓采樣保持電容上的電壓從上次工作電壓跟蹤到下一次工作電壓，只能減小采樣保持電容的容量。例如，如果混頻器輸出內(nèi)阻100歐姆，外接10nf采樣保持電容時的充電時間常數(shù)1us。再大的采樣保持電容會導(dǎo)致充電不足而信號幅度變小，導(dǎo)致后級放大器的噪聲貢獻加大，降低雷達模組的信噪比。然而，射頻電路不工作的時間長達2ms以上，為了采樣保持電容上的電壓不變化太多，需要放電時間常數(shù)很大，比如2ms左右。既然不能加大電容容值，就需要在射頻電路不工作期間斷開采樣保持電容與混頻器的連接，并將放大器輸入端的阻抗提高到，例如提高到200k歐姆以上。另外一種方式是先將混頻器輸出做放大，并使用低阻輸出，從而降低采樣保持電容的充電時間常數(shù)(例如將放大器輸出電阻降低到2歐姆以內(nèi)，以便使用0.47uf左右的采樣保持電容)。然而，這種方式要求放大器能夠在1us左右的時間穩(wěn)定，就是放大器的增益帶寬積足夠高，擺率足夠大，這在10ua以下的微功耗放大器中是很難實現(xiàn)的。因此，本方案可以降低一直工作的放大器的工作電流。本方案沒有采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器常用的將采樣保持電容切換到放大器輸入端與反饋端的方式，簡化了電路設(shè)計，同時適應(yīng)了極低的占空比，因為普通模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣保持前端要求采樣時鐘50％左右的占空比。本方案采用外部采樣電容的方式，避免了在芯片內(nèi)部做大電容，降低了芯片面積，也就降低了芯片成本?；祛l器到差分放大器的輸入端采用片外電容隔直流的交流耦合方式，而且差分放大器到后級放大器也采用片外電容隔直流的交流耦合方式，避免了設(shè)計超低失調(diào)電壓放大器的麻煩，降低了設(shè)計難度，也減小了芯片面積。本方案采用差分放大的方式，可以利用差分放大器很高的共模抑制能力，抑制因為自混頻電路直流電平變化導(dǎo)致的共模干擾，也抑制了間歇工作的共模電平干擾，同時抑制了50hz/60hz工頻干擾，進一步降低噪聲，從而提升雷達模組的性能也就是增加相同功耗下的感應(yīng)距離。

26、2、相對于芯片內(nèi)部使用高頻振蕩器做10位以上pwm發(fā)生器的方式，本發(fā)明的對應(yīng)電路功耗更低；相對未經(jīng)過處理而直接用mcu提供的pwm信號控制射頻電路的節(jié)電方式，本方案比mcu直接提供pwm信號時占空比更低，因而可以將模組電流降低到更小；本發(fā)明支持脈沖群工作方式，既可以使用光敏探測在白天停止射頻電路而降低功耗，又允許在超低功耗應(yīng)用中通過減少每秒探測進一步降低總電流。

27、3、本方案兼容無pwm節(jié)電的常規(guī)功耗、mcu提供pwm節(jié)電脈沖的普通低功耗和芯片提供pwm節(jié)電脈沖的超低功耗應(yīng)用，而且支持同步采樣因而比非同步采樣性能更高，減少了雷達芯片公司的芯片數(shù)量，降低了研發(fā)成本；本方案既消除了外部mcu和芯片內(nèi)處理器的冗余，因而模組成本更低；使用外部mcu，方便不同客戶針對不同應(yīng)用選用不同資源的mcu和不同算法；使用外部mcu的方式，免除了雷達芯片公司購買處理器內(nèi)核的ip費用，避免了自研處理器和低功耗算法的研發(fā)成本，可以攤低芯片成本，加快了產(chǎn)品上市速度，可以獲得競爭優(yōu)勢，加快紅外傳感器的替換速度。

28、在pwm占空比1/256～255/256時，本方案的pwm信號可由mcu的內(nèi)部時鐘提供，因此mcu可以采用pwm中斷方式下的同步采樣方案；在pwm占空比1/2～1/32或者1/250～1/5000時，pwm信號由雷達芯片提供但mcu仍然可以使用i/o管腳中斷或者喚醒的方式進行同步采樣。同步采樣的好處是在pwm頻率比較低的情況下，不要求中頻放大器做完美的低通濾波將pwm紋波降低到1mv以下，也不需要使用數(shù)字低通濾波器，從而可以進一步降低功耗，提升性能，同等功耗條件下有更遠的感應(yīng)距離。使用mcu做算法，可以在常規(guī)節(jié)電方式使用復(fù)雜算法，在超低功耗時使用簡易算法，從而實現(xiàn)同一雷達模組對不同應(yīng)用的完美兼容，既可以支持電池供電的超低功耗的近距離探測，又可以兼容1ma左右的球泡燈掛高3米感應(yīng)距離2米左右的家庭照明應(yīng)用。因為1ma左右的模組電流，可以適用于阻容降壓方式下用大電阻從整流后的高壓直流電分壓取電這種極低成本的雷達模組供電方式，因而可以直接替代紅外傳感器，在球泡燈應(yīng)用上完全不影響燈具美觀性，而且便于個人在自家樓道門廳和廁所等地更換普通燈泡為雷達感應(yīng)燈，因此具有巨大的商業(yè)價值。