CN115396996B

CN115396996B - 射频间歇工作斩波节电系统以及方法

Info

Publication number: CN115396996B
Application number: CN202211307512.3A
Authority: CN
Inventors: 章新明; 牛旭磊; 何荣文
Original assignee: Shenzhen Xinshengsi Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Xinshengsi Technology Co ltd
Priority date: 2022-10-25
Filing date: 2022-10-25
Publication date: 2023-02-14
Anticipated expiration: 2042-10-25
Also published as: CN115396996A

Abstract

本发明为一种射频间歇工作斩波节电系统以及方法，它主要由压控振荡器、射频功率放大器、天线、低噪声射频放大器、混频器、低通滤波器、低频放大器以及判定模块构成的雷达系统，通过搭配节点时钟模块实现射频功率放大器和低噪声射频放大器在正常工作和掉电模式（不工作模式）切换，并且让压控振荡器和混频器在正常工作和低功耗工作模式切换（也可以是在正常工作和掉电模式切换），从而实现同步间歇性工作的节电效果；本发明的系统和方法对芯片和用分立器件做的模组均适用。本发明的优点在于：能够大幅度降低多普勒测速雷达传感器芯片的平均工作电流，进而降低该芯片所应用的智能照明系统的成本，达到很好的节电效果。

Description

射频间歇工作斩波节电系统以及方法

技术领域

本发明涉及电子设备、电子器件技术领域，具体为一种射频间歇工作斩波节电系统以及方法，它适用于同频收发的射频芯片领域，例如多普勒测速雷达传感器芯片。

背景技术

雷达传感器在测速和测距应用上有适用于不同气候条件的独特优势。得益于半导体技术的飞速发展，雷达系统的成本不断降低，因而得以广泛用于工业、医疗和消费领域。然而，对于应用在智慧照明和智能楼宇的使用多普勒测速方式的低成本运动感应雷达而言，雷达传感器的功耗仍然过高，从而导致电源电路成本高，雷达芯片和雷达模组运行成本高。因为夜间雷达芯片是永远处于检测状态的，使用雷达自动开关灯技术，节省的电能需要扣除照明灯泡关闭时的雷达功耗，雷达自动灯的节电效率被大打折扣。

应用于智能照明的雷达传感器都是从市电取电的。如果能够将雷达传感器的工作电流做到低于3mA~5mA，就可以使用极低成本的电源方案。这个方案是：硅桥整流220V交流市电得到300V以上直流电压，再用电阻分压的方式得到10V~15V左右的低压直流电，再使用低成本的线性稳压器稳压到雷达芯片所需的3.3V。这种取电成本比高压开关电源低很多。如果使用减少测量频次的方式节电，会延长雷达反应时间，也就是对人快速走入雷达范围有明显的滞后，会让用于楼道以及厨房厕所等室内应用场景的智能照片系统的用户体验很差。如果通过直接降低雷达芯片的发射功率的方法降低工作电流，一方面因为射频放大器的偏置电流原因导致降低增益时总电流不一定降低，另外也会降低系统灵敏度，不仅仅是探测距离近，而且对在雷达范围内人的小动作检测非常不利，容易导致人一直在雷达范围下活动仍然像走过雷达自动灯范围一样延时固定时间就关灯了。这种情况在厨房应用几乎是不可忍受的，因为炒菜洗碗等动作持续时间经常超过延时关灯的30秒~3分钟。

以现有的技术为例：多普勒测速雷达用压控振荡器（VCO）产生射频信号，经过射频功率放大器（PA）送天线发射到运动物体，回波信号会产生多普勒频移，就是回波信号比发射芯片频率略高（运动物体接近雷达）或者略低（运动物体远离雷达）。将回波信号用天线接收，经过低噪声射频放大器（LNA）放大后送混频器混频，其中混频器的本振信号（LO）来自于压控振荡器（VCO）。如果回波信号跟发射信号完全同频同相，混频得到直流输出。如图1所示，如果接收回波频率比发射信号略高（或者略低），就会产生一个频率很低的差频信号,这个差频信号就是多普勒频偏信号。低频放大器将这个中频信号放大后用模数转换器（ADC）采样或者使用比较器，将多普勒信号变成数字信号，就可以使用微处理器对触发进行判别，产生开关信号控制灯具的电源（也可以控制带电磁阀的冲水系统或者带电机的空调或者风机风扇等设备）。为了保证一定的射频功率输出，射频功率放大器的工作电流一般比较大。而为了保持很好的接收噪声系数，接收回来的低噪声射频放大器的工作电流也不低。因此，很难将连续工作的雷达芯片的工作电流降低至3毫安以内。

为了节电，一般射频通信芯片都会在不需要工作时将偏置电压去掉，让射频电路进入掉电模式。为了配合这种节电模式，收发数据会时分成很多段，在每一帧收发数据的发送完成或者接收完成后关闭相应的射频模块。这种情况仅仅适合平均收发数据率远远低于该射频通信芯片的峰值收发数据率的情况。因为测量人类运动的多普勒雷达的中频频率很低，所以接收一个完整的正弦波需要的时间较长。人类在室内走动速度一般在1.5米每秒以内。因为人眼的视觉暂停时间为0.2秒，按照1.5米每秒的速度，0.2秒可以走动0.3米。所以，每秒钟至少需要测量5次才不会让人感觉到雷达开灯有明显的延时。但是，考虑到人们以0.2米每秒的匀速进入5.8GHz的多普勒测速雷达范围时，多普勒频率约为7.6Hz（1米每秒时是38Hz），接收一个完整的正弦波所需时间为131毫秒。如果雷达系统利用1个完整的波形就能正确处理开灯，那也会有130多毫秒的延时。芯片系统的参数在设定好了后一般不能改变。如果每次测量时长130毫秒以上，每秒测量5次以上，这样，多普勒测速雷达基本上只能是不间歇地连续工作。因此，通信系统中常用的脉冲工作方式不适用。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种射频间歇工作斩波节电系统以及方法。

本发明通过如下技术方案实现：一种射频间歇工作斩波节电系统，它包括

压控振荡器，为带有正常工作模式和低功耗工作模式的压控振荡器，作为发射信号源以产生射频信号作为本振信号；

射频功率放大器，为带掉电功能的射频功率放大器，通过与压控振荡器连接用于将射频信号放大；

天线，与射频功率放大器连接，用于发射射频信号并接收回波信号；

低噪声射频放大器，为带有掉电控制电路的低噪声射频放大器，通过与天线连接用于放大回波信号（为了便于表述，将发射通道的各级射频功率放大器，天线，接收通道的各级低噪声放大器统称为射频链路）；

混频器，为带有正常工作模式和低功耗工作模式的混频器，与压控振荡器和低噪声射频放大器连接，接收压控振荡器的射频信号和低噪声射频放大器放大后的回波信号，形成混频后的中频信号；

低通滤波器，与混频器连接，用于处理混频后的中频信号；

低频放大器，与低通滤波器连接，用于将低通滤波器产生的中频信号放大（为了便于表述，将接收通道的各级低频放大器以及相关的有源或者无源滤波器统称为中频链路）；

判定模块，与低频放大器连接，用于接收低频放大器放大的中频信号，并进行判定；

以及节点时钟模块，与射频功率放大器、低噪声射频放大器的掉电控制电路连接；

所述节点时钟模块控制射频功率放大器、低噪声射频放大器的掉电控制电路同步间歇性工作；

所述节点时钟模块控制压控振荡器和混频器在正常模式和低功耗模式切换。

进一步的，所述判定模块包括比较器或模数转换器、以及判断与开关控制电路；比较器或模数转换器与低频放大器连接，判断与开关控制电路与比较器或模数转换器连接。

一种射频间歇工作斩波节电方法，它包括如下步骤：

步骤1：通过压控振荡器产生射频信号用于产生发射信号和接收本振信号；

步骤2：射频功率放大器放大射频信号并送至天线，天线发射射频信号并接收回波信号，由低噪声射频放大器接收回波信号，之后混频器将接收低噪声射频放大器的回波信号和压控振荡器产生的射频信号并进行混频处理，以生成混频后的中频信号；其中，通过节点时钟模块控制射频功率放大器和低噪声射频放大器的掉电控制电路，使射频功率放大器、低噪声射频放大器同步间歇性工作；

步骤3：低通滤波器对步骤2的间断性混频后的中频信号进行处理，滤除混频后的中频信号中的斩波频率，使中频信号会恢复到连续正弦波的状态，形成滤波后的中频信号；

步骤4：通过低频放大器放大步骤3处理后的中频信号，之后进行判定模块进行判定。

所述步骤2中，射频功率放大器处于不工作阶段时，压控振荡器将从正常模式切换为低功耗模式，混频器也从正常工作模式切换为低功耗模式；其中，压控振荡器和混频器在正常工作模式和低功耗模式切换为优，在正常工作模式和掉电工作模式切换为次。

一种由上述方法制得的同频收发的射频芯片。

本发明的优点在于：

1、它通过让本发明的射频功率放大器、低噪声射频放大器（正常工作和掉电待机交替），压控振荡器和混频器间歇性低功耗工作（正常工作和低功耗工作交替，压控振荡器低功耗工作保持相位连续且防止不起振或者起振后频率稳定过慢，混频器低功耗工作保持输出端口的直流电平不变）从而大幅度降低整个系统的耗电量，当本发明应用于多普勒测速雷达传感器芯片时，能够大幅度降低多普勒测速雷达传感器芯片的平均工作电流，进而降低该芯片所应用的只能照明系统的成本，达到很好的节电效果。

2、实际使用的过程中，射频功率放大器、低噪声射频放大器处于间歇工作状态时，压控振荡器和混频器同样可以采用间歇工作方式在正常模式和低功耗模式之间相互切换，即射频部分处于掉电待机时，压控振荡器和混频器处于低功耗模式。这样在保持相位连续性和中频直流电平稳定的情况下，能够进一步提到节电效果。其中，压控振荡器和混频器在正常工作模式和低功耗模式切换为优，也可以在正常工作模式和掉电工作模式切换。

附图说明

图1为本发明射频间歇工作斩波节电系统的工作原理示意图。

图2为本发明中射频链路间歇工作情况下的同频收发系统混频后的多普勒频移波形示意图（虚竖线为时间分割线）。

图3为正常情况下射频链路连续工作的同频收发系统混频后的多普勒频移波形示意图（虚竖线为时间分割线）。

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明做详细说明：

本方法不同于工作时段完成所有工作然后进入低功耗待机模式的时分复用（TDD）技术，TDD技术收发时长根据业务需要变化，且不工作时基本上所有电路都进入低功耗掉电模式。

而本方法在射频功率放大器、低噪声射频放大器不工作时，低通滤波器、低频放大器以及判定模块仍然处于连续工作的状态，即中频和基带部分仍然在连续工作（其中压控振荡器低功耗工作保持本振相位，混频器低功耗工作保持端口直流电平不变化）。因为射频放大器功耗最大，短暂关闭射频放大器可以显著降低功耗。

本方法跟丁类（ClassD）功放也不同，丁类功放是高电平期间输出电源电压，低电平期间输出地电平，而且占空比随着需要工作的低频信号频率变化。本方法射频电路工作期间输出正弦波，射频电路不工作期间无输出，而且用于节电控制的控制信号的占空比不变（占空比会决定节省功耗的比例）。

如图1所示：一种射频间歇工作斩波节电系统，它包括

低噪声射频放大器，为带有掉电控制电路的低噪声射频放大器，通过与天线连接用于放大回波信号；

低通滤波器，与混频器连接，用于处理混频后的中频信号；

低频放大器，与低通滤波器连接，用于将低通滤波器产生的中频信号放大；

所述判定模块包括比较器或模数转换器、以及判断与开关控制电路；比较器或模数转换器与低频放大器连接，判断与开关控制电路与比较器或模数转换器连接。

一种射频间歇工作斩波节电方法，它包括如下步骤：

所述步骤2中，射频功率放大器处于不工作阶段时，压控振荡器将从正常模式切换为低功耗模式，压控振荡器和混频器也从正常工作模式切换为低功耗模式或掉电工作模式；其中，压控振荡器和混频器在正常工作模式和低功耗模式切换为优，在正常工作模式和掉电工作模式切换为次。（即即可切换低功耗模式，也可以切换到掉电模式，但低功耗模式更优）。

一般来说，考虑到雷达系统的射频频率很高，射频系统收发很多个完整的正弦波，位于中频链路的低频放大器才完成一个周期的正弦波放大。如果将射频功率放大器（发射电路）和低噪声射频放大器（接收电路）快速掉电然后又快速恢复工作，依靠整个系统的大电容（电容用于滤波）保持中频输入信号；混频器在射频电路工作的时间段生成混频后的中频信号，在射频电路不工作的时间段虽然不生成混频后的中频信号但因为电容放电缓慢而得以保持中频信号。

具体的说，如图2所示，压控振荡器（VCO）连续工作，产生连续的射频频率的正弦波。利用节点时钟模块，产生一个比射频频率低很多，但比中频频率高很多的控制信号，让射频功率放大器工作一段时间，掉电停歇一段时间。在射频功率放大器停歇的这段时间，接收射频低噪声放大器也掉电停歇一段时间，那么，混频后的中频信号就会如图2中所示的一样形成虚线状。这时，就等效将混频后的中频信号（低频正弦波）做了斩波处理。通过加入低通滤波器，滤除这个斩波频率，混频后的中频信号就会恢复到连续正弦波的状态。相对连续工作而言，滤波后幅度会降低，因此需要更大的中频增益。因为中频增益由功耗很低的低频放大器构成，加大低频放大器增益甚至增加一级低频放大器，几乎不增加总功耗。

本发明所述方法主要用于同频收发的射频芯片。

下面结合具体案例对本发明进行说明：

以应用于智慧照明的5.8GHz多普勒动感触发雷达为例说明。该雷达工作在多普勒测速模式。为了降低成本，并不一定需要使用快速傅里叶变换（FFT）方式计算多普勒频移，一般根据多普勒信号幅度来判断是否需要开灯。为了防止工频干扰，所以在整体系统的中频链路一般会加入低通滤波器。因为以1米每秒的速度走入雷达范围，多普勒信号频率约38Hz。所以一般是模拟低通滤波器配合模数转换器和数字滤波器，滤除50Hz工频干扰。

如图3所示，利用时钟和数字电路产生一个节电时钟模块，该节电时钟模块的时钟占空比可以是10%到50%不等，需要周期固定、占空比固定，且满足射频功率放大器所处的射频链路高电平时间（工作期间）长度显著大于射频链路从掉电恢复到工作状态的时间。用这个节电时钟控制模块射频功率放大器（PA）、低噪声放大器以及混频器的掉电控制电路（一般是关断偏置电压，本发明不限定各局部电路的具体设计方式），就可以使射频链路间歇工作。在射频链路不工作期间，压控振荡器可以进入低功耗模式，保持相位连续。为了得到很好的相位噪声，压控振荡器（VCO）正常工作模式的电流一般会大于低功耗模式，而且因为压控振荡器（VCO）的频率由电感电容决定，低功耗模式不会改变其工作频率。如果压控振荡器由锁相环（PLL）控制，锁相环电路也需要连续工作。

低通滤波器是在混频器的中频输出端（一般是差分输出）加入电阻Rsp和Rsn(实际上也包括混频器输出内阻)，与接地电容Csp和Csn一起构建而成。滤除压控振荡器（本振）信号泄露和射频链路间歇工作引入的高频脉动（本发明不限定混频器的具体实现方式，中频输出也可以是单端方式）。接着，在后续中频输出级，再串接电阻R，在差分端跨接电容C，进一步构成RC低通滤波器，从而滤除射频链路间歇工作引入的高频脉动。因为射频链路工作电压跟中频链路的低频放大器工作电压一般不同，而且混频器本身有很大的混频直流，一般混频器后会有隔直流电容Cdc。在混频器掉电期间，输出端可能掉电到地电平（也可能是射频电源的电平），所以跨接电容C有利于保持射频掉电最后时刻的差分输出电压（跨接电容C一般远远大于接地电容Csp和Csn）。本发明所述混频器在工作模式和低功耗模式切换可以减少这个直流电平的变化，但并不限定混频器不能掉电工作。或者说，跨接电容C跟电阻R以及中频链路的低频放大器的输入电阻，一起构成一个采样保持电路（在射频掉电期间，跨接电容C上因为同频混频产生的直流电压没有驱动源，会按照t=RC的规律放电）。注意中频链路的低频放大器是一直工作的，所以低频放大器的输入阻抗是不变的。这种低频放大器很容易做到微功耗，在射频连续工作模式时，低频放大器连续工作电流对总功耗影响不大，但对于本发明的射频周期掉电工作方式，低频放大器（包括其它不掉电的电路）的连续工作电流对平均功耗影响很大。

滤波后的中频信号（频率很低的波形）就光滑也就是连续了，不再会是图2画的虚线的断续形态。所以后面的低频放大器（可变增益放大器PGA），模数转换器（ADC）或者比较器以及触发判断与开关控制电路可以跟射频连续工作的多普勒测速雷达芯片有完全相同的设计，本发明不限定这些电路的具体设计方式。

注意因为芯片内电容尺寸过大，一般使用片外电容。本发明对片外电容材质也没有特殊要求。

一般小功率短距离通信芯片在发射时工作电流30mA左右，接收时工作电流20mA左右，同频收发系统工作电流很容易到50mA。如果直接降低发射链路和接收链路的工作电流，射频指标会下降很多，要做到5mA以内的工作电流非常不容易。一般用于智慧照明的动感触发多普勒雷达传感器，连续工作时电源电流30mA左右, 不能使用220V交整流后直接电阻分压方式取电，因此会导致电源成本偏高，不能随着低端LED灯泡进入千家万户。

按照本发明的方法，即使连续工作电流为30mA的雷达芯片，使用射频掉电而中频连续工作的间歇工作模式，也很容易将平均工作电流控制到5mA以内，这样就可以采用成本极低的电阻分压方式从交流市电整流后的高压直流电取电，总体成本大幅降低。而且这种5mA以内的低功耗对于中频和低频处理电路来说是连续工作的，不会对雷达反应速度有任何影响。比如节电时钟占空比10%，射频频率5.8GHz，射频工作时间10微秒后停歇90微秒，那么射频链路的平均功耗就是连续工作时的10%。按照抗工频干扰滤波器为40Hz低通滤波器计算，即使是40Hz的雷达波形，每个周期时长25毫秒，1个完整的正弦波被这个周期100微秒的射频掉电斩波分割成250段，相当于模数转换器时每个周期有250个采样点。这样很容易理解，滤波后的波形完全不会影响低频正弦波的特性。如果滤波后的幅度有所降低，适当调高低频放大器的增益即可。

总而言之，使用本专利的方法，可以降低功耗和成本而不影响性能。本发明的方法对芯片和分立器件做的模组均适用。

最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.射频间歇工作斩波节电系统，其特征在于：它包括

低通滤波器，与混频器连接，用于处理混频后的中频信号；

2.根据权利要求1所述的射频间歇工作斩波节电系统，其特征在于：所述判定模块包括比较器或模数转换器、以及判断与开关控制电路；比较器或模数转换器与低频放大器连接，判断与开关控制电路与比较器或模数转换器连接。

3.一种射频间歇工作斩波节电方法，其特征在于：

它包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种射频间歇工作斩波节电方法，其特征在于：

所述步骤2中，射频功率放大器处于不工作阶段时，压控振荡器将从正常模式切换为低功耗模式，压控振荡器和混频器也从正常工作模式切换为低功耗模式或掉电工作模式；其中，压控振荡器和混频器在正常工作模式和低功耗模式切换为优，在正常工作模式和掉电工作模式切换为次。