Krótki przewodnik po tranzystorach GaN FET na potrzeby technologii LiDAR w pojazdach autonomicznych

Technologia LiDAR znajduje zastosowanie m.in. w pojazdach autonomicznych, dronach, automatyce magazynów i rolnictwie precyzyjnym. W większości tych zastosowań obecni są ludzie, co budzi obawy, że laser LiDAR może spowodować uszkodzenie wzroku. Aby zapobiec obrażeniom, motoryzacyjne systemy LiDAR muszą spełniać wymagania bezpieczeństwa normy IEC 60825-1 dla klasy 1 przy nadawaniu z mocą do 200W.

Ogólne rozwiązanie wykorzystuje impulsy trwające od 1 do 2ns z częstotliwością powtarzania od 1 do 2MHz. Stwarza to trudności, ponieważ do sterowania diodą laserową potrzebny jest mikrokontroler lub inny duży cyfrowy układ scalony (IC), jednak nie może on sterować nią bezpośrednio, dlatego należy dodać obwód sterownika bramek. Ponadto ten projekt sterownika bramek trzeba zoptymalizować, aby zapewnić, że działanie systemu LiDAR będzie odpowiednie dla zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS) poziomu 3 i wyższych Stowarzyszenia Inżynierów Samochodowych (SAE).

Projektowanie sterowników bramek o dużej mocy i wysokich parametrach, które spełniają wymagania bezpieczeństwa normy IEC 60825-1 z wykorzystaniem komponentów dyskretnych jest skomplikowane i czasochłonne, co może zwiększać koszty oraz wydłużać czas wprowadzania produktu na rynek. Aby sprostać tym wyzwaniom, projektanci mogą sięgnąć po zintegrowane, szybkie układy scalone sterowników bramek w połączeniu z azotkowo-galowymi tranzystorami polowymi mocy (GaN FET). Zastosowanie rozwiązania zintegrowanego minimalizuje zjawiska pasożytnicze, które pogarszają integralność sygnału sterującego, szczególnie w wysokoprądowej pętli zasilania lasera, a także umożliwia umieszczenie sterownika wysokoprądowego w pobliżu przełączników zasilania, minimalizując wpływ szumów przełączania wysokiej częstotliwości.

Niniejszy artykuł stanowi krótkie wprowadzenie do technologii LiDAR. Omówiono w nim zastosowania i wymagania bezpieczeństwa, a następnie wyzwania związane z projektowaniem systemów motoryzacyjnych w technologii LiDAR, koncentrując się na wysokoprądowej pętli mocy lasera. Następnie przedstawiono rozwiązania w technologii LiDAR firm Efficient Power Conversion (EPC), Excelitas Technologies, ams OSRAM oraz Texas Instruments, w tym tranzystory mocy GaN FET, sterowniki bramek i diody laserowe, wraz z płytkami ewaluacyjnymi i wskazówkami wdrożeniowymi przyspieszającymi proces rozwoju.

Jak działa technologia LiDAR

Systemy LiDAR mierzą czas przelotu (ToF) w obie strony (Δt) impulsu wiązki laserowej w celu obliczenia odległości od obiektu (ilustracja 1). Odległość (d) można obliczyć za pomocą wzoru d = c * Δt/2, gdzie c jest prędkością światła w powietrzu. Jednym z kluczowych aspektów technologii LiDAR są krótkie czasy trwania impulsów. Biorąc pod uwagę, że prędkość światła wynosi około 30cm/ns, trwający 1ns impuls w technologii LiDAR ma długość około 30cm. W związku z tym dolna granica rozmiaru wykrywalnego obiektu wynosi około 15cm. W rezultacie impulsy LiDAR muszą być ograniczone do kilku nanosekund, aby uzyskać użyteczną rozdzielczość w środowiskach o skali ludzkiej.

Ilustracja 1: do wykrywania obiektów i określania odległości do nich, w technologii LiDAR wykorzystuje się pomiary czasu przelotu (ToF). (Źródło ilustracji: ams OSRAM)

Podstawowe parametry specyfikacji w technologii LiDAR to szerokość impulsu, moc szczytowa, częstotliwość powtarzania i cykl roboczy. Na przykład typowa dioda laserowa używana w systemie LiDAR może mieć szerokość impulsu do 100ns, moc szczytową >100W, częstotliwość powtarzania co najmniej 1kHz oraz cykl roboczy 0,2%. Im wyższa moc szczytowa, tym większy zasięg wykrywania technologii LiDAR, ale kosztem rozpraszania ciepła. Dla szerokości impulsu 100ns średni cykl roboczy jest zwykle ograniczony do zakresu od 0,1% do 0,2%, aby zapobiec przegrzaniu lasera. Krótsze impulsy również zwiększają bezpieczeństwo technologii LiDAR.

Norma IEC 60825-1 definiuje bezpieczeństwo laserów w kategoriach maksymalnej dopuszczalnej ekspozycji (MPE), która jest najwyższą gęstością energii lub mocą źródła światła o znikomym potencjale spowodowania uszkodzenia wzroku. Pomijamy jednak fakt, że poziom maksymalnej dopuszczalnej ekspozycji (MPE) jest ograniczony do około 10% gęstości energii, co daje 50% prawdopodobieństwo spowodowania uszkodzenia wzroku. Przy stałym poziomie mocy krótsze impulsy mają niższą średnią gęstość energii i są bezpieczniejsze.

Dzięki pojedynczemu pomiarowi czasu przelotu (ToF) w technologii LiDAR można określić odległość do obiektu, a wykonując tysiące lub miliony takich pomiarów można stworzyć trójwymiarową (3D) chmurę punktów (ilustracja 2). Chmura punktów to zbiór punktów danych przechowujący duże ilości informacji zwanych komponentami. Każdy komponent zawiera wartość opisującą atrybut. Komponenty te mogą zawierać współrzędne x, y i z oraz informacje o intensywności, kolorze i czasie (w celu zmierzenia ruchu obiektu). Chmury punktów w technologii LiDAR tworzą trójwymiarowy model obszaru docelowego w czasie rzeczywistym.

Ilustracja 2: systemy LiDAR łączą dużą liczbę pomiarów czasu przelotu (ToF) w celu tworzenia trójwymiarowych (3D) chmur punktów i obrazów obszaru docelowego. (Źródło ilustracji: EPC)

Wykorzystanie tranzystorów GaN FET do zasilania laserów LiDAR

Tranzystory GaN FET przełączają się znacznie szybciej niż ich odpowiedniki krzemowe, dzięki czemu nadają się do zastosowań LiDAR wymagających bardzo wąskich impulsów. Na przykład tranzystor GaN FET 80V EPC2252 firmy EPC, posiadający kwalifikację motoryzacyjną AEC-Q101, zdolny jest do wytwarzania impulsów prądowych o natężeniu do 75A (ilustracja 3). Urządzenie EPC2252 charakteryzuje się maksymalną rezystancją w stanie włączenia (RDS_(on)) 11mΩ, maksymalnym całkowitym ładunkiem bramki (Q_g) 4,3nC i zerowym ładunkiem regeneracyjnym dren-źródło (Q_RR).

Układ scalony jest dostarczany w obudowie z wyprowadzeniami sferycznymi w siatce rastrowej (DSBGA). Oznacza to, że pasywowana struktura jest przytwierdzona bezpośrednio do kulek lutowniczych bez żadnej innej obudowy. W rezultacie układy półprzewodnikowe w postaci obudowy z wyprowadzeniami sferycznymi w siatce rastrowej (DSBGA) mają te same rozmiary co struktura krzemowa, co minimalizuje ich wielkość. W tym przypadku płytka EPC2252 wykorzystuje implementację 9-DSBGA o wymiarach 1,5 x 1,5mm. Jej opór cieplny wynosi 8,3˚C/W od złącza do płytki, dzięki czemu nadaje się do systemów o wysokiej gęstości.

Ilustracja 3: tranzystor GaN FET EPC2252 posiada kwalifikację AEC-Q101 i jest odpowiedni do sterowania diodami laserowymi w motoryzacyjnych systemach LiDAR. (Źródło ilustracji: EPC)

Projektanci mogą korzystać z płytki rozwojowej EPC9179 firmy EPC w celu szybkiego rozpoczęcia pracy dzięki zastosowaniu urządzenia EPC2252 w systemach LiDAR o całkowitej szerokości impulsu od 2 do 3ns (ilustracja 4). Płytka EPC9179 zawiera sterownik bramek LMG1020 firmy Texas Instruments, który może być sterowany za pomocą sygnału zewnętrznego lub wbudowanego generatora wąskoimpulsowego (o precyzji poniżej nanosekundy).

Ilustracja 4: na ilustracji przedstawiono płytkę demonstracyjną EPC9179 dla tranzystora GaN FET EPC2252 i inne kluczowe komponenty. (Źródło ilustracji: EPC)

Płytka rozwojowa jest dostarczana wraz z płytką pośredniczącą EPC9989 zawierającą odłamywane elementy pośredniczące 5 x 5mm (ilustracja 5). Odpowiadają one powierzchniom montażowym wielu popularnych diod laserowych do montażu powierzchniowego, takich jak SMD i MMCX, a także układom zaprojektowanym do obsługi złączy RF i szerokiej gamy innych odbiorników.

Ilustracja 5: płytka pośrednicząca EPC9989 ukazana w prawym górnym rogu zawiera zestaw elementów pośredniczących, na przykład dla lasera SMD , które można odłamać w celu użycia z płytką demonstracyjną EPC9179. (Źródło ilustracji: EPC)

W połączeniu z płytką pośrednicząca EPC9989 można stosować laser impulsowy TPGAD1S09H firmy Excelitas Technologies (ilustracja 6), emitujący światło o długości 905nm. Dioda laserowa wykorzystuje wielowarstwowy monolityczny układ półprzewodnikowy zamontowany na bezodprowadzeniowym nośniku laminowanym, zapewniając doskonałe parametry termiczne przy współczynniku temperaturowym długości fali (Δλ/ΔT) wynoszącym 0,25nm/°C. Ten laser ze studnią kwantową posiada odpowiedni sterownik zapewniający czasy narastania i opadania <1ns. Urządzenia TPGAD1S09H można używać do montażu powierzchniowego i integracji hybrydowej. Może ono emitować światło równolegle lub prostopadle do płaszczyzny montażowej, a obudowa z żywicy epoksydowej umożliwia tanią i wielkoseryjną produkcję.

Ilustracja 6: laser impulsowy TPGAD1S09H generuje bardzo wysokie impulsy szczytowe i może emitować światło równolegle lub prostopadle do płaszczyzny montażowej. (Źródło ilustracji: Excelitas)

Urządzenie SPL S1L90A_3 A01 firmy ams OSRAM (ilustracja 7) jest kolejnym przykładem diody laserowej, która może być używana z płytką pośredniczącą EPC9989. Ten jednokanałowy moduł laserowy 908nm może dostarczać impulsy w przedziale od 1 do 100ns przy szczytowej mocy wyjściowej 120W. Charakteryzuje się on zakresem temperatur roboczych od -40 do +105°C, cyklem pracy 0,2% i jest zamknięty w kompaktowej obudowie QFN o wymiarach 2,0 x 2,3 x 0,69mm.

Ilustracja 7: dioda laserowa SPL S1L90A_3 A01 generuje impulsy w przedziale od 1 do 100ns i może być używana z płytką pośredniczącą EPC9989. (Źródło ilustracji: ams OSRAM)

W przypadku systemów LiDAR, które wymagają bardzo wąskich impulsów, projektanci mogą sięgnąć po jednokanałowy sterownik bramek strony niskiej LMG1025-Q1 firmy Texas Instruments, który zapewnia impulsy wyjściowe o szerokości 1,25ns i pozwala tworzyć zaawansowane systemy LiDAR, spełniające wymagania bezpieczeństwa klasy 1 wg normy IEC 60825-1. Mała szerokość impulsu, szybkie przełączanie i zniekształcenie impulsu wynoszące 300ps pozwalają na precyzyjne pomiary czasu przelotu (ToF) w technologii LiDAR na duże odległości.

Opóźnienie propagacji wynoszące 2,9ns poprawia czas odpowiedzi pętli sterowania, a obudowa QFN 2 x 2mm minimalizuje indukcyjność pasożytniczą, obsługując przełączanie wysokoprądowe o niskim współczynniku oscylacji komutacyjnych w obwodach sterowania LiDAR wysokiej częstotliwości. Moduł ewaluacyjny LMG1025-Q1EVM przeznaczony jest dla urządzenia LMG1025-Q1 i posiada miejsce na obciążenie rezystancyjne typowej diody laserowej lub na montaż diody laserowej po dostrojeniu impulsu sterującego za pomocą obciążenia rezystancyjnego (ilustracja 8).

Ilustracja 8: płytka demonstracyjna LMG1025-Q1EVM może obsługiwać obciążenie rezystancyjne reprezentujące typową diodę laserową na potrzeby wstępnej konfiguracji. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Podsumowanie

Projektanci stają przed coraz trudniejszym wyzwaniem polegającym na opracowywaniu motoryzacyjnych systemów LiDAR, które wykonują pomiary czasu przelotu (ToF) w czasie rzeczywistym z rozdzielczością centymetrową, spełniając wymagania bezpieczeństwa klasy 1 według normy IEC 60825-1. Do wygenerowania impulsów o nanosekundowej szerokości i wysokich szczytowych poziomach mocy wymaganych w wysokowydajnych motoryzacyjnych rozwiązaniach w technologii LiDAR można wykorzystać tranzystory GaN FET w połączeniu z różnymi diodami laserowymi.

Rekomendowane artykuły

1. Zapewnienie precyzji samochodowego czujnika odległości LiDAR dzięki odpowiedniemu wzmacniaczowi transimpedancyjnemu
2. Szybkie rozpoczęcie prac z trójwymiarowymi zastosowaniami pomiaru czasu przelotu