Ghid rapid pentru FET-urile GaN pentru LiDAR în vehiculele autonome

Printre aplicațiile de detectare și localizare prin intermediul luminii (LiDAR) se numără vehiculele autonome, dronele, automatizarea depozitelor și agricultura de precizie. Oamenii sunt prezenți în majoritatea acestor aplicații, ceea ce conduce la îngrijorări cu privire la potențialul laserului LiDAR de a provoca leziuni oculare. Pentru a preveni rănirea, sistemele LiDAR pentru automobile trebuie să îndeplinească cerințele de siguranță IEC 60825-1 Clasa 1 în timp ce transmit la o putere de până la 200 de wați.

Soluția generală utilizează un impuls de la 1 până la 2 nanosecunde (ns) la o rată de repetiție de la 1 până la 2 megahertzi (MHz). Acest lucru reprezintă o provocare, deoarece este nevoie de un microcontroler sau de un alt circuit integrat (CI) digital de mari dimensiuni pentru a controla dioda laser, dar aceste dispozitive nu o pot comanda direct, astfel încât trebuie adăugat un circuit de comandă a porții. De asemenea, acest design al driverului de poartă trebuie optimizat pentru a garanta că performanța sistemului LiDAR este adecvată pentru sistemele avansate de asistență pentru șoferi (ADAS) de nivelul 3 și mai mari și ale Societății Inginerilor de Automobile (SAE).

Proiectarea unui driver de poartă de mare putere și de înaltă performanță care să îndeplinească cerințele de siguranță ale IEC 60825-1 folosind componente discrete este complexă și durează mult timp, ceea ce poate crește costurile și poate prelungi timpul de lansare pe piață. Pentru a face față acestor provocări, proiectanții pot utiliza circuite integrate de drivere de poartă de mare viteză, asociate cu tranzistoare de putere cu efect de câmp (FET) din nitrură de galiu (GaN). Utilizarea unei soluții integrate reduce la minimum fenomenele parazite care degradează integritatea semnalului de comandă, în special în bucla de alimentare a laserului de curent ridicat, și permite amplasarea driverului de curent ridicat în apropierea comutatoarelor de putere, minimizând efectul zgomotului de comutare de înaltă frecvență.

Acest articol oferă o scurtă introducere în LiDAR. Discută aplicațiile și cerințele de siguranță înainte de a trece în revistă provocările legate de proiectarea sistemelor LiDAR pentru automobile, punându-se accentul pe bucla de putere laser de curent ridicat. Apoi prezintă soluții LiDAR de la Efficient Power Conversion (EPC), Excelitas Technologies, ams OSRAM și Texas Instruments, inclusiv FET-uri de putere GaN, drivere de poartă și diode laser, împreună cu plăci de evaluare și ghiduri de implementare pentru a accelera procesul de dezvoltare.

Cum funcționează LiDAR

Sistemele LiDAR măsoară timpul de zbor (ToF) dus-întors (Δt) al unui impuls de fascicul laser pentru a calcula distanța față de un obiect (Figura 1). Distanța (d) poate fi calculată cu ajutorul formulei d = c * Δt/2, unde c este viteza luminii în aer. Duratele scurte ale impulsurilor reprezintă una dintre cheile LiDAR. Având în vedere că viteza luminii este de aproximativ 30 de centimetri pe ns (cm/ns), un impuls LiDAR de 1 ns are o lungime de aproximativ 30 cm. Acest lucru impune o limită inferioară de aproximativ 15 cm pentru dimensiunea minimă a elementului care poate fi rezolvat. Drept urmare, impulsurile LiDAR trebuie să fie limitate la câteva nanosecunde pentru a avea o rezoluție utilă pentru mediile la scară umană.

Figura 1: LiDAR utilizează măsurători ToF pentru a detecta obiecte și a determina distanța până la acestea. (Sursa imaginii: ams OSRAM)

Lățimea impulsului, puterea de vârf, frecvența de repetiție și ciclul de funcționare sunt specificațiile principale ale LiDAR. De exemplu, o diodă laser tipică utilizată într-un sistem LiDAR poate avea o lățime a impulsului de 100 ns sau mai puțin, o putere de vârf de >100 wați, o frecvență de repetiție de 1 kilohertz (kHz) sau mai mare și un ciclu de funcționare de 0,2%. Cu cât puterea de vârf este mai mare, cu atât raza de detecție a sistemului LiDAR este mai mare, dar disiparea termică este un compromis. Pentru o lățime a impulsului de 100 ns, ciclul de funcționare mediu este de obicei limitat la 0,1% până la 0,2% pentru a preveni supraîncălzirea laserului. Lățimile mai scurte ale impulsurilor contribuie, de asemenea, la siguranța LiDAR.

IEC 60825-1 definește siguranța laserului în termeni de expunere maximă admisă (MPE), care reprezintă cea mai mare densitate de energie sau putere a unei surse de lumină cu un potențial neglijabil de a provoca leziuni oculare. Pentru a fi neglijabil, nivelul de putere MPE este limitat la aproximativ 10% din densitatea de energie, care are o posibilitate de 50% de a provoca leziuni oculare. Cu un nivel de putere constant, lățimile de impuls mai scurte au o densitate medie de energie mai mică și sunt mai sigure.

În timp ce o singură măsurătoare LiDAR ToF poate determina distanța până la un obiect, mii sau milioane de măsurători LiDAR ToF pot fi utilizate pentru a crea un nor de puncte tridimensional (3-D) (Figura 2). Un nor de puncte este o colecție de puncte de date care stochează cantități mari de informații numite componente. Fiecare componentă conține o valoare care descrie un atribut. Componentele pot include coordonate x, y și z și informații despre intensitate, culoare și timp (pentru a măsura mișcarea obiectului). Norii de puncte LiDAR creează un model 3-D în timp real al zonei vizate.

Figura 2: Sistemele LiDAR combină un număr mare de măsurători ToF pentru a crea nori de puncte 3-D și imagini ale unei zone țintă. (Sursa imaginii: EPC)

Utilizarea FET-urilor GaN pentru a alimenta laserele LiDAR

FET-urile GaN comută mult mai rapid decât omologii lor din siliciu, ceea ce le face potrivite pentru aplicațiile LiDAR care necesită lățimi de impuls foarte mici. De exemplu, EPC2252 de la EPC este un FET GaN de 80 de volți, calificat AEC-Q101 pentru automobile, capabil de impulsuri de curent de până la 75 de amperi (A) (Figura 3). EPC2252 are o rezistență maximă la pornire (RDS_(on)) de 11 miliohmi (mΩ), o sarcină totală maximă de poartă (Q_g) de 4,3 nanocoulombi (nC) și o sarcină de recuperare sursă-drenă (Q_RR) zero.

Circuitul integrat este livrat sub formă de matrice cu bile de dimensiuni potrivite pentru matrice (DSBGA). Acest lucru înseamnă că matricea pasivizată este atașată direct la bilele de lipit fără nicio altă capsulare. Drept urmare, cipurile DSBGA au aceeași dimensiune ca și matricea de siliciu, reducând la minimum factorul de formă al acestora. În acest caz, EPC2252 utilizează o implementare 9-DSBGA care măsoară 1,5 x 1,5 milimetri (mm). Are o rezistență termică de 8,3 °C per watt (˚C/W) de la joncțiune la placă, ceea ce îl face potrivit pentru sistemele de înaltă densitate.

Figura 3: FET GaN EPC2252 este calificat AEC-Q101 și este potrivit pentru acționarea diodelor laser în sistemele LiDAR pentru automobile. (Sursa imaginii: EPC)

Proiectanții pot utiliza placa de dezvoltare EPC9179 de la EPC pentru o pornire rapidă prin utilizarea EPC2252 în sistemele LiDAR cu lățimi totale ale impulsurilor de la 2 până la 3 ns (Figura 4). EPC9179 include un driver de poartă LMG1020 de la Texas Instruments, care poate fi controlat de un semnal extern sau de un generator de impulsuri înguste încorporat (cu o precizie de sub o nanosecundă).

Figura 4: Este prezentată placa demonstrativă EPC9179 pentru FET GaN EPC2252 și alte componente cheie. (Sursa imaginii: EPC)

Placa de dezvoltare este prevăzută cu o placă interposer EPC9989 care cuprinde interposere cu detașare de 5 x 5 mm (Figura 5). Acestea corespund amprentelor de montare ale multor diode laser comune cu montare pe suprafață, cum ar fi SMD și MMCX, precum și tiparelor concepute pentru a găzdui conectori RF și o mare varietate de alte sarcini.

Figura 5: Placa interposer EPC9989 oferă o colecție de interposere, cum ar fi interposerul laser SMD prezentat în dreapta sus, care poate fi detașat pentru a fi utilizat cu placa demonstrativă EPC9179. (Sursa imaginii: EPC)

Laserul cu impulsuri TPGAD1S09H de la Excelitas Technologies (Figura 6), care emite la 905 nanometri (nm), poate fi utilizat cu placa interposer EPC9989. Această diodă laser utilizează un cip monolitic multistrat montat pe un suport laminat fără plumb pentru a oferi performanțe termice excelente cu un coeficient de temperatură a lungimii de undă (Δλ/ΔT) de 0,25 nm/°C. Acest laser cu gropi cuantice acceptă timpi de creștere și scădere de <1 ns cu un driver adecvat. TPGAD1S09H poate fi utilizat în aplicații de montare pe suprafață și în integrarea hibridă. Acesta poate emite lumină paralel sau perpendicular pe planul de montare, iar încapsularea cu rășină epoxidică permite fabricarea la costuri reduse și în volume mari.

Figura 6: Laserul cu impulsuri TPGAD1S09H produce impulsuri cu vârf foarte mare și poate emite lumină paralel sau perpendicular pe planul de montare. (Sursa imaginii: Excelitas)

SPL S1L90A_3 A01 de la ams OSRAM (Figura 7) este un alt exemplu de diodă laser care poate fi utilizată cu placa interposer EPC9989. Acest modul laser de 908 nm cu un singur canal poate furniza impulsuri de la 1 la 100 ns cu o putere de ieșire de vârf de 120 de wați. Acesta suportă o gamă de temperaturi de funcționare de la -40 la +105 °C, cu un ciclu de funcționare de 0,2% și vine într-o capsulă compactă QFN care măsoară 2,0 x 2,3 x 0,69 mm.

Figura 7: Dioda laser SPL S1L90A_3 A01 produce impulsuri cuprinse între 1 și 100 ns și poate fi utilizată cu placa interposer EPC9989. (Sursa imaginii: ams OSRAM)

Pentru sistemele LiDAR care necesită lățimi de impuls extrem de înguste, proiectanții pot apela la LMG1025-Q1 de la Texas Instruments, care este un driver de poartă low-side cu un singur canal, cu o capacitate de lățime a impulsului de ieșire de 1,25 ns, ce permite realizarea unor sisteme LiDAR puternice care îndeplinesc cerințele de siguranță IEC 60825-1 Clasa 1. Capacitatea sa de lățime îngustă a impulsurilor, comutarea rapidă și distorsiunea impulsurilor de 300 picosecunde (ps) permit măsurători precise LiDAR ToF pe o distanță mare.

O întârziere de propagare de 2,9 ns îmbunătățește timpul de răspuns al buclei de control, iar capsula QFN de 2 x 2 mm minimizează inductanța parazită, susținând comutarea de curent mare și cu oscilații reduse în circuitele de comandă LiDAR de înaltă frecvență. LMG1025-Q1EVM este un modul de evaluare pentru LMG1025-Q1 care are un loc pentru găzduirea unei sarcini rezistive pentru a reprezenta o diodă laser tipică sau pentru montarea unei diode laser după reglarea impulsurilor de comandă cu o sarcină rezistivă (Figura 8).

Figura 8: Placa demonstrativă LMG1025-Q1EVM poate găzdui o sarcină rezistivă reprezentând o diodă laser tipică pentru configurarea inițială. (Sursa imaginii: Texas Instruments)

Concluzie

Proiectanții sunt tot mai provocați să dezvolte sisteme LiDAR pentru automobile care să ofere măsurători ToF în timp real cu o rezoluție centimetrică și care să îndeplinească cerințele de siguranță de clasa 1 din IEC 60825-1. După cum s-a arătat, FET-urile GaN pot fi utilizate cu o varietate de diode laser pentru a produce lățimi de impulsuri de nanosecunde și niveluri ridicate de putere de vârf necesare în LiDAR de înaltă performanță pentru automobile.

Lectură recomandată

1. Asigurați precizia senzorului de distanță LiDAR de clasă auto, cu amplificatorul TIA potrivit
2. Începeți rapid să utilizați aplicațiile pentru timpul de zbor 3D