Rychlý průvodce GaN FET pro LiDAR v autonomních vozidlech

Aplikace světelné detekce a měření vzdálenosti („light detection and ranging“, LiDAR) zahrnují autonomní vozidla, drony, automatizaci skladů a přesné zemědělství. Ve většině těchto aplikací jsou přítomni lidé, což vede k obavám, že by laser LiDAR mohl způsobit poškození očí. K tomu, aby se zranění zabránilo, musí automobilové systémy LiDAR při vysílání až 200 wattů splňovat bezpečnostní požadavky normy IEC 60825-1 třídy 1.

Obecné řešení využívá pulz o délce 1 až 2 ns s opakovací frekvencí 1 až 2 MHz. To je náročné, protože k řízení laserové diody je zapotřebí mikrokontrolér nebo jiný velký digitální integrovaný obvod (IO), ale nemůže ji přímo řídit, takže je třeba přidat obvod hradlového budiče. Optimalizován musí být také návrh tohoto hradlového budiče, aby se zajistilo, že je výkon systému LiDAR vhodný pro systémy pokročilých asistenčních systémů pro řidiče („advanced driver assistance system“, ADAS) úrovně 3 a vyšší podle sdružení SAE („Society of Automotive Engineers“, profesního sdružení odborníků z oblasti leteckého, automobilového a dopravního průmyslu).

Navrhování hradlového budiče s vysokou energií a vysokým výkonem, který splňuje bezpečnostní požadavky normy IEC 60825-1, pomocí diskrétních součástek, je složité a časově náročné, což může potenciálně zvyšovat náklady a prodlužovat dobu do uvedení na trh. K řešení těchto problémů mohou konstruktéři využít integrované vysokorychlostní IO hradlového budiče ve spojení s výkonovými tranzistory řízenými elektrickým polem („field effect transistor“, FET) na bázi nitridu galia (GaN). Použití integrovaného řešení minimalizuje parazity, které zhoršují integritu řídicího signálu, zejména ve vysokoproudé výkonové smyčce laseru, a umožňuje umístění vysokoproudého budiče blízko výkonových spínačů, čímž se minimalizuje vliv vysokofrekvenčního spínacího šumu.

V tomto článku je uveden stručný úvod do technologie LiDAR. Článek pojednává o aplikacích a bezpečnostních požadavcích a poté se zabývá revizí výzev při navrhování automobilového systému LiDAR se zaměřením na výkonovou vysokoproudou smyčku laseru. Poté jsou zde představena řešení LiDAR od společností Efficient Power Conversion (EPC), Excelitas Technologies, ams OSRAM a Texas Instruments, včetně výkonových tranzistorů FET na bázi GaN, hradlových budičů a laserových diod spolu s vyhodnocovacími deskami a pokyny k implementaci pro urychlení procesu vývoje.

Jak funguje LiDAR

K výpočtu vzdálenosti od objektu měří systémy LiDAR okružní dobu průchodu („time-of-flight“, ToF) (Δt) pulzu laserového paprsku (obrázek 1). Vzdálenost (d) lze vypočítat pomocí vzorce d = c × Δt/2, kde c je rychlost světla ve vzduchu. Krátká doba trvání pulzu je jedním z klíčových prvků technologie LiDAR. Vzhledem k tomu, že rychlost světla je přibližně 30 cm/ns, má 1ns pulz LiDAR délku asi 30 cm. Tím je stanoven spodní limit asi 15 cm pro minimální rozlišitelnou velikost prvku. V důsledku toho musí být pulzy LiDAR omezeny na několik nanosekund, aby měly pro prostředí v lidském měřítku užitečné rozlišení.

Obrázek 1: K detekci objektů a určení jejich vzdálenosti využívá LiDAR měření ToF. (Zdroj obrázku: společnost ams OSRAM)

Primárními specifikacemi technologie LiDAR jsou šířka pulzu, špičkový výkon, opakovací frekvence a pracovní cyklus. Například typická laserová dioda používaná v systému LiDAR může mít šířku pulzu 100 ns nebo méně, špičkový výkon > 100 wattů, opakovací frekvenci 1 kHz nebo vyšší a pracovní cyklus 0,2 %. Čím vyšší je špičkový výkon, tím větší je dosah detekce LiDAR, ale kompromisem je rozptyl tepla. Pro šířku pulzu 100 ns je průměrný pracovní cyklus obvykle omezen na 0,1 % až 0,2 %, aby se zabránilo přehřátí laseru. K bezpečnosti technologie LiDAR přispívají také kratší šířky pulzů.

Norma IEC 60825-1 definuje bezpečnost laseru z hlediska maximální dovolené expozice („maximum permissible exposure“, MPE), což je nejvyšší hustota energie nebo výkon světelného zdroje se zanedbatelným potenciálem způsobit poškození očí. K tomu, aby byl potenciál zanedbatelný, je úroveň výkonu MPE omezena na zhruba 10 % hustoty energie, což představuje 50% šanci způsobit poškození očí. Při konstantní úrovni výkonu mají kratší šířky pulzů nižší průměrnou hustotu energie a jsou bezpečnější.

Zatímco vzdálenost k objektu může určit jedno jediné měření ToF LiDAR, k vytvoření trojrozměrného (3-D) mračna bodů lze použít tisíce nebo miliony měření ToF LiDAR (obrázek 2). Mračno bodů je sbírka datových bodů uchovávajících velké množství informací nazývaných komponenty. Každá komponenta obsahuje hodnotu popisující určitý atribut. Komponenty mohou zahrnovat souřadnice x, y a z a informace o intenzitě, barvě a čase (k měření pohybu objektu). Mračna bodů LiDAR vytvářejí 3D model cílové oblasti v reálném čase.

Obrázek 2: Systémy LiDAR kombinují velký počet měření ToF a vytvářejí 3D mračna bodů a snímky cílové oblasti. (Zdroj obrázku: společnost EPC)

Použití tranzistorů FET na bázi GaN k napájení laserů LiDAR

Tranzistory FET na bázi GaN spínají mnohem rychleji než jejich křemíkové protějšky, díky čemuž jsou vhodné pro aplikace LiDAR vyžadující velmi úzké šířky pulzů. Například zařízení EPC2252 od společnosti EPC je 80V tranzistor FET na bázi GaN s certifikací pro automobilový průmysl dle normy AEC-Q101, který zvládá proudové pulzy až 75 A (obrázek 3). Tranzistor EPC2252 má maximální odpor v sepnutém stavu (RDS_(on)) 11 mΩ, maximální celkový náboj hradla (Q_g) 4,3 nC a nulový náboj zotavení zdroj-odtok (Q_RR).

Integrovaný obvod se dodává v pouzdře DSBGA („die-size ball grid array“). To znamená, že pasivovaná matrice je připojena přímo bez dalšího obalu k pájecím kuličkám. Výsledkem je, že čipy DSBGA mají stejnou velikost jako křemíková matrice, což minimalizuje jejich tvarový faktor. V tomto případě používá tranzistor EPC2252 implementaci 9-DSBGA, která měří 1,5 × 1,5 mm. Má tepelný odpor 8,3 °C/W) od spoje k desce, takže je vhodný pro systémy s vysokou hustotou.

Obrázek 3: Tranzistor FET na bázi GaN EPC2252 splňuje požadavky normy AEC-Q101 a je vhodný k buzení laserových diod v automobilových systémech LiDAR. (Zdroj obrázku: společnost EPC)

V systémech LiDAR s celkovou šířkou pulzu 2 až 3 ns mohou s nasazením tranzistoru EPC2252 konstruktéři rychle začít díky využití vývojové desky EPC9179 společnosti EPC (obrázek 4). Deska EPC9179 obsahuje hradlový budič LMG1020 společnosti Texas Instruments, který lze řídit externím signálem nebo integrovaným generátorem úzkých pulzů (s přesností na subnanosekundy).

Obrázek 4: Předváděcí deska EPC9179 pro tranzistor FET na bázi GaN EPC2252 a další klíčové součástky. (Zdroj obrázku: společnost EPC)

Vývojová deska se dodává s interposerovou deskou EPC9989 obsahující vylamovací interposery 5 × 5 mm (obrázek 5). Ty odpovídají montážním tvarovým faktorům mnoha běžných laserových diod pro povrchovou montáž, jako jsou SMD a MMCX, stejně jako vzorům navrženým k připojení RF konektorů a široké škály dalších zátěží.

Obrázek 5: Interposerová deska EPC9989 nabízí soubor interposerů, jako je laserový interposer SMD zobrazený vpravo nahoře, které lze odlomit pro použití s předváděcí deskou EPC9179. (Zdroj obrázku: společnost EPC)

S interposerovou deskou EPC9989 lze použít pulzní laser TPGAD1S09H společnosti Excelitas Technologies (obrázek 6) s vlnovou délkou 905 nm. Tato laserová dioda využívá vícevrstvý monolitický čip namontovaný na bezolovnatém laminátovém nosiči, který poskytuje vynikající tepelný výkon s teplotním koeficientem vlnové délky (Δλ/ΔT) 0,25 nm/°C. Tento laser s kvantovou jámou podporuje s vhodným řadičem doby náběhu a doběhu <1 ns. Laser TPGAD1S09H lze použít v aplikacích pro povrchovou montáž a hybridní integraci. Může vyzařovat světlo paralelně nebo kolmo k montážní rovině a zapouzdření epoxidovou pryskyřicí podporuje nízkonákladovou a velkoobjemovou výrobu.

Obrázek 6: Pulzní laser TPGAD1S09H produkuje velmi vysoké špičkové pulzy a může vyzařovat světlo rovnoběžně nebo kolmo k montážní rovině. (Zdroj obrázku: společnost Excelitas)

Zařízení SPL S1L90A_3 A01 společnosti ams OSRAM (obrázek 7) je dalším příkladem laserové diody, kterou lze s interposerovou deskou EPC9989 použít. Tento jednokanálový laserový 908nm modul může dodávat pulzy v rozsahu od 1 do 100 ns se špičkovým výstupním výkonem 120 wattů. Podporuje rozsah provozních teplot −40 až +105 °C s pracovním cyklem 0,2 % a dodává se v kompaktním pouzdru QFN o rozměrech 2,0 × 2,3 × 0,69 mm.

Obrázek 7: Laserová dioda SPL S1L90A_3 A01 produkuje pulzy v rozsahu od 1 do 100 ns a lze ji použít s interposerovou deskou EPC9989. (Zdroj obrázku: společnost ams OSRAM)

V systémech LiDAR, které vyžadují extrémně úzké šířky pulzu, mohou konstruktéři využít zařízení LMG1025-Q1 společnosti Texas Instruments, což je jednokanálový low-side hradlový budič s výstupní šířkou pulzu 1,25 ns, který umožňuje výkonné systémy LiDAR splňující bezpečnostní požadavky normy IEC 60825-1 třídy 1. Jeho schopnost úzké šířky pulzu, rychlé spínání a zkreslení pulzu 300 ps umožňují přesná měření ToF LiDAR s dlouhým dosahem.

Zpoždění šíření 2,9 ns zlepšuje dobu odezvy řídicí smyčky a pouzdro QFN 2 × 2 mm minimalizuje parazitní indukčnost a podporuje vysokoproudé spínání s nízkým kmitáním ve vysokofrekvenčních budicích obvodech LiDAR. Zařízení LMG1025-Q1EVM je vyhodnocovací modul pro budič LMG1025-Q1, který má místo pro uložení odporové zátěže představující typickou laserovou diodu, nebo pro montáž laserové diody po ladění řídicích pulzů s odporovou zátěží (obrázek 8).

Obrázek 8: Předváděcí deska LMG1025-Q1EVM může zvládnout odporovou zátěž představující typickou laserovou diodu pro počáteční nastavení. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Závěr

Konstruktéři čelí stále větším výzvám při vývoji automobilových systémů LiDAR, které poskytují měření ToF v reálném čase s rozlišením v řádu centimetrů a které splňují bezpečnostní požadavky normy IEC 60825-1 třídy 1. Jak je zde ukázáno, tranzistory FET na bázi GaN lze použít s řadou laserových diod k dosažení nanosekundových šířek pulzů a vysokých špičkových úrovní výkonu potřebných ve vysoce výkonném automobilovém systému LiDAR.

Doporučeno k přečtení

1. Zajistěte přesnost automobilového snímače vzdálenosti v systému LiDAR pomocí správného transimpedančního zesilovače (TIA)
2. Začněte rychle s aplikacemi 3D měření doby průchodu