Kees Gehrels is senior director new business bij NXP. Zijn collega Cicero Vaucher geeft op 29 november tijdens de Dutch RF Conference een lezing over de radarchipontwikkeling.

23 November 2017

Een grootschalige inzet van radar in auto’s vereist betaalbare, compacte en betrouwbare sensoren. Kees Gehrels bespreekt de NXP-chip die hier het fundament voor legt.

Auto’s zijn in de loop der jaren steeds veiliger geworden. Om deze trend door te zetten, krijgen ze steeds meer zintuigen. Zo zijn radarsensoren enorm in opkomst. Ze vinden onder meer hun toepassing in actieve veiligheidsfuncties als adaptieve cruisecontrol, autonomous emergency braking en dodehoekmonitoring.

Het radarsysteem zendt radiogolven uit die weerkaatsen tegen bijvoorbeeld voetgangers, andere auto’s of vangrails. Uit de terugontvangen signalen kan het de positie van de objecten berekenen, waarna het de bestuurder kan waarschuwen voor mogelijke ongelukken, of zelfs actief kan ingrijpen. De grote kracht van radarsensoren is dat ze bij nacht en ontij (mist, regen, sneeuw, maar ook in verblindend zonlicht) goed functioneren en de snelheid van objecten direct kunnen meten.

NXP_radar

Dolphin

Bij NXP hebben we een chip ontworpen om te fungeren als het hart van radarsensoren. De TEF810X met codenaam Dolphin (Digital Out, Low Power, Highly Integrated) integreert vier essentiële functies: hij genereert extreem hoogfrequente radiosignalen (76 tot 81 GHz), zendt ze uit, ontvangt de weerkaatsingen en digitaliseert die. Voorheen waren hier vier aparte chips voor nodig.

Het Eindhovense ontwikkelteam heeft de Dolphin gerealiseerd in 40 nm rfcmos. Door de hoge integratiegraad kunnen radarsensoren simpeler en vijftig procent kleiner worden: van een pak kaarten naar een lucifersdoosje. Doordat de verbindingen tussen de functies niet meer via de printplaat lopen, maar op de chip blijven, neemt het energieverbruik af. Hierdoor kan ook de behuizing eenvoudiger. Al deze facetten verlagen de kosten en maken de sensoren betaalbaar voor alle auto’s.

BCe24 save the date

Door de chip te ontwerpen in standaard 40 nm cmos kunnen we hem in hoge volumes en tegen lage kosten laten produceren in de fabrieken van spelers als Globalfoundries en TSMC. Dat ontwerp is echter nog een hele uitdaging. We hebben hierbij kunnen profiteren van componenten en modellen die we hebben ontwikkeld in eerdere rfcmos-projecten, bijvoorbeeld voor 60 GHz wifi-communicatie binnen de Wireless Gigabit Alliance.

De Dolphin bevat een spanningsgestuurde oscillator (vco) die een serie frequentiegemoduleerde ‘chirps’ genereert. De hoogfrequente versterkers (Tx) brengen deze op een niveau dat we kunnen uitzenden en waarmee we objecten kunnen bereiken tot op zo’n 250 meter afstand. Na de time of flight komt de weerkaatsing binnen bij de ontvangerblokken (Rx). Die versterken het signaal en mengen het met het origineel. Zo ontstaat een verschilfrequentie, waarvan de hoogte de afstand representeert tot het waargenomen object.

NXP_blokdiagram
NXP’s radarchip integreert vier essentiële functies: hij genereert extreem hoogfrequente radiosignalen (76 tot 81 GHz), zendt ze uit, ontvangt de weerkaatsingen en digitaliseert die.
NXP_radarsignalen
De hoogte van de verschilfrequentie tussen het verzonden en ontvangen signaal representeert de afstand tot het waargenomen object. Uit de faseverschuiving in het verschilsignaal tussen opeenvolgende chirps is de dopplerfrequentie af te leiden, wat weer een maat is voor de relatieve snelheid van het object.

Dit resultaat digitaliseren we in een adc en geven we via een seriële interface door aan een signaalprocessor. Die berekent daaruit behalve de afstand ook de hoek en de snelheid van het object. De hoek bepalen we met behulp van de vier ontvangstkanalen. De signalen komen daarop binnen met een miniem tijdsverschil, wat resulteert in een faseverschuiving. Door deze te meten, kunnen we de angle of arrival bepalen. De drie zendkanalen kunnen we gebruiken om de phased array horizontaal of verticaal uit te bouwen.

Als het waargenomen object beweegt, veranderen de weerkaatsingen: in het verschilsignaal tussen opeenvolgende chirps zit een faseverschuiving. Hieruit kunnen we de dopplerfrequentie afleiden. En dat is dan weer een maat voor de relatieve snelheid van het object.

De radarchip en het gebruikte ontwikkelproces voldoen aan de Iso 26262-standaard voor functionele veiligheid. Elke functie op de chip is voorzien van een monitor die controleert of de schakeling naar behoren functioneert. Deze monitoren, het zijn er zo’n dertig, zijn weer aangesloten op de centrale safetymonitor. Zo kunnen we op elk moment vaststellen of de chip goed werkt en of het geproduceerde signaal betrouwbaar is. Dit is essentieel als de auto op basis van dit signaal zelfstandig ingrijpt door te remmen of bij te sturen in noodsituaties.

NXP_TEF810X
De TEF810X-radarchip van NXP gaat begin volgend jaar in productie.

Zelfrijdende auto

De ontwikkeling van de Dolphin is gestart in 2012. Twee jaar later hebben we het eerste prototype vrijgegeven, vorig jaar de engineeringsamples. Met het prototype heeft een aantal tier 1-toeleveranciers aan de auto-industrie radarsensoren gemaakt, die ze hebben gedemonstreerd aan verschillende oem’s. Met de engineeringsamples zetten ze nu de volgende ontwikkelstap.

De radarchip laat niet alleen toe om kleinere en zuinigere sensoren te maken, door de toegenomen eenvoud gaat dit bovendien betrouwbaarder en gemakkelijker: het kostenniveau in ontwikkeling en productie neemt structureel af. Hiervan profiteren ook de eindklanten, de autofabrikanten. Die kunnen meer radarsensoren inbouwen, in de toekomst tot wel tien per wagen, om te voldoen aan de toenemende veiligheidseisen zoals de markt en instanties als Ncap (New Car Assessment Program) die stellen.

De impact van de radarchip is groot. Primair neemt de veiligheid in het verkeer toe. Ncap heeft het effect van autonomous emergency braking onderzocht: deze functie reduceert het aantal kop-staartbotsingen met 38 procent. In haar eisen voor 2020 legt de instantie de nadruk op kwetsbare verkeersdeelnemers, zoals voetgangers en fietsers. Met radar zijn deze uitstekend zichtbaar. In vrachtwagens zullen radarsensoren een einde maken aan de beruchte dode hoek, die nu de oorzaak is van veel ongelukken.

De grotere veiligheid heeft ook secundaire voordelen. Veel files zijn het gevolg van ongelukken. Als die minder vaak voorkomen, heeft dit een positief effect op de doorstroming in het verkeer. Tegelijkertijd zal de belasting op het milieu door files afnemen.

Aan de horizon zien we de zelfrijdende auto. Hierin zullen radarsensoren een cruciale rol spelen: met een ring van radars kan het voertuig 360 graden om zich heen kijken. In zijn autonome-autoproject is Google onze chip al in het veld aan het testen.

De TEF810X gaat begin volgend jaar in productie. De eerste auto’s met de radarchip kunnen we in 2019 op de weg verwachten.

Edited by Nieke Roos