Hurtigguide til GaN FET-er for LiDAR i autonome kjøretøy

LiDAR-utrustninger (Lysdeteksjon og rekkevidde-utrustninger) inkluderer autonome kjøretøy, droner, lagerautomatisering og presisjonslandbruk. Mennesker er til stede i de fleste av disse utrustningene, noe som fører til bekymringer om en LiDAR-lasers potensial til å forårsake øyeskade. For å forhindre skade, må automotive LiDAR-systemer oppfylle IEC 60825-1 klasse 1 sikkerhetskrav, når de sender med opptil 200 watt.

Den generelle løsningen bruker en puls på 1 til 2 nanosekunder (ns) ved en repetisjonshastighet på 1 til 2 megahertz (MHz). Dette er utfordrende ettersom en mikrokontroller eller annen stor digital integrert krets (IC) er nødvendig for å kontrollere laserdioden, men den kan ikke drive den direkte, så en gate-driverkrets må legges til. Dessuten må denne gate-driverdesignen optimaliseres for å sikre at ytelsen til LiDAR-systemet er egnet for Society of Automotive Engineers (SAE) nivå 3 og høyere avanserte førerassistentsystemer (ADAS).

Å designe en høyeffekts og høyytelses gate-driver som oppfyller sikkerhetskravene i IEC 60825-1, ved bruk av diskrete komponenter, er komplekst og tidkrevende, noe som potensielt øker kostnadene og forlenger tiden før produktet kan markedsføres. For å møte disse utfordringene kan designere bruke integrerte høyhastighets gate-driver-IC-er, paret med galliumnitrid (GaN) kraftfelteffekttransistorer (FET). Bruk av en integrert løsning minimerer parasittene som forringer integriteten til drivsignalet, spesielt i høystrømlaserstrømsløyfen, og det gjør det mulig å plassere høystrømsdriveren nær strømbryterne, noe som minimerer effekten av høyfrekvent vekslingsstøy .

Denne artikkelen gir en kort introduksjon til LiDAR. Den diskuterer utrustninger og sikkerhetskrav før vi gjennomgår utfordringene med å designe automotiv LiDAR, med fokus på høystrøms laserkraftsløyfe. Den presenterer deretter LiDAR-løsninger fra Efficient Power Conversion (EPC), Excelitas Technologies, ams OSRAM, ogTexas Instruments, inkludert GaN power FET-er, gate-drivere og laserdioder, sammen med evalueringstabeller og implementeringsveiledning, for å fremskynde utviklingsprosessen.

Slik fungerer LiDAR

LiDAR-systemer måler flyvetid (Time-of-Flight – ToF) (Δt) på en laserstrålepuls for å beregne avstanden til et objekt (Figur 1). Avstanden (d) kan beregnes ved hjelp av formelen d = c * Δt/2, hvor c er lysets hastighet i luft. Korte pulsvarigheter er en av nøklene til LiDAR. Gitt at lyshastigheten er omtrent 30 centimeter per ns (cm/ns), har en 1 ns LiDAR-puls en lengde på omtrent 30 cm. Dette setter en nedre grense på ca. 15 cm for minimumsfunksjonsstørrelsen som kan løses. Som et resultat må LiDAR-pulser begrenses til noen få nanosekunder for å ha en nyttig skala-oppløsning for menneskelige omgivelser.

Figur 1: LiDAR bruker ToF-målinger for å oppdage objekter og bestemme avstanden deres. (Bildekilde: ams OSRAM)

Pulsbredde, toppeffekt, repetisjonsfrekvens og driftssyklus er primære LiDAR-spesifikasjoner. For eksempel kan en typisk laserdiode brukt i et LiDAR-system ha en pulsbredde på 100 ns eller mindre, en toppeffekt på >100 watt, en 1 kilohertz (kHz) eller høyere repetisjonsfrekvens og en driftssyklus på 0,2 %. Jo høyere toppeffekt, desto lengre er deteksjonsområdet til LiDAR, men termisk spredning er en avveining. For en pulsbredde på 100 ns er den gjennomsnittlige driftssyklusen vanligvis begrenset til 0,1 % til 0,2 % for å forhindre laseroveroppheting. Kortere pulsbredder bidrar også til LiDAR-sikkerhet.

IEC 60825-1 definerer lasersikkerhet i form av maksimal tillatt eksponering (MPE), som er den høyeste energitettheten eller kraften til en lyskilde med ubetydelig potensial til å forårsake øyeskade. For å være ubetydelig er MPE-effektnivået begrenset til omtrent 10 % av energitettheten, som har 50 % mulighet for å forårsake øyeskade. Med et konstant effektnivå har kortere pulsbredder en lavere gjennomsnittlig energitetthet og er sikrere.

Mens en enkelt LiDAR ToF-måling kan bestemme avstanden til et objekt, kan tusenvis eller millioner av LiDAR ToF-målinger brukes til å lage en tredimensjonal (3D) punktsky (Figur 2). En punktsky er en samling av datapunkter som lagrer store mengder informasjon kalt komponenter. Hver komponent inneholder en verdi som beskriver et attributt. Komponentene kan inkludere x-, y- og z-koordinater og informasjon om intensitet, farge og tid (for å måle objektbevegelse). LiDAR punktskyer lager en sanntids 3D-modell av målområdet.

Figur 2: LiDAR-systemer kombinerer et stort antall ToF-målinger for å lage 3D-punktskyer og bilder av et målområde. (Bildekilde: EPC)

Bruk GaN FET-er for å drive LiDAR-lasere

GaN FET-er veksler mye raskere enn de tilsvarende silisiummotstykkene, noe som gjør dem egnet for LiDAR-utrustninger som krever svært smale pulsbredder. For eksempel er EPC2252, fra EPC, en AEC-Q101 automotivkvalifisert 80 volt GaN FET, som kan håndtere strømpulser på opptil 75 ampere (A) (Figur 3). EPC2252 har et maksimum på motstand (RDS_(on)) på 11 milliohm (mΩ), en maksimal total gate-ladning (Q_g) på 4,3 nanocoulombs (nC), og null source-drain recovery charge (Q_RR).

IC-en leveres som en DSBGA-kapsling (die-size ball grid array). Dette betyr at den passiverte platen er direkte festet til loddekuler uten annen emballasje. Som et resultat har DSBGA-brikkene samme størrelse som silisiumplaten, noe som minimerer deres formfaktor. I dette tilfellet bruker EPC2252 en 9-DSBGA-implementering som måler 1,5 x 1,5 mm. Den har en termisk motstand på 8,3 °C per watt (˚C/W) fra kobling til bord, noe som gjør den egnet for systemer med høy tetthet.

Figur 3: EPC2252 GaN FET er AEC-Q101-kvalifisert og er egnet for å drive laserdioder i automotive LiDAR-systemer. (Bildekilde: EPC)

Designere kan bruke EPC-er EPC9179 utviklingskort for en rask start ved å bruke EPC2252 i LiDAR-systemer med totale pulsbredder på 2 til 3 ns (Figur 4). EPC9179 inkluderer en LMG1020 gate-driver fra Texas Instruments som kan styres av et eksternt signal eller en innebygd smalpulsgenerator (med presisjon under nanosekunder).

Figur 4: Vist er demonstrasjonskortet EPC9179 for EPC2252 GaN FET og andre nøkkelkomponenter. (Bildekilde: EPC)

Utviklingskortet leveres med adapterkortet EPC9989 som består av 5 x 5 mm-avbrekkbare mellomleggere (Figur 5). Disse tilsvarer monteringsflaten til mange vanlige overflatemonterte laserdioder, som SMD og MMCX, samt mønstrene designet for å imøtekomme RF-kontakter og en rekke andre belastninger.

Figur 5: Adapterkortet EPC EPC9989, inneholder en samling av adaptere, for eksempel adapter for overflatemontert komponent laser (SMD laser), vist øverst til høyre, som kan knipses av, for bruk med demonstrasjonskortet EPC9179. (Bildekilde: EPC)

Pulslaseren TPGAD1S09H fra Excelitas Technologies (figur 6), som sender på 905 nanometer (nm), kan brukes med adapterkort EPC9989. Denne laserdioden bruker en flerlags monolittisk brikke, montert på en blyfri laminatbærer, for å gi utmerket termisk ytelse med en bølgelengdetemperaturkoeffisient (Δλ/ΔT) på 0,25 nm/°C. Denne kvantebrønnlaseren støtter stige- og falltider på <1 ns med en passende driver. TPGAD1S09H kan brukes i overflatemonterte utrustninger og hybridintegrasjon. Den kan sende ut lys parallelt eller vinkelrett på monteringsplanet, og epoksyharpiksinnkapslingen støtter lavpris- og høyvolumproduksjon.

Figur 6: Den pulserende laseren TPGAD1S09H produserer svært høye toppulser og kan sende ut lys parallelt eller vinkelrett i forhold til monteringsflaten. (Bildekilde: Excelitas)

De SPL S1L90A_3 A01 fra ams OSRAM (Figur 7) er et annet eksempel på en laserdiode som kan brukes med adapterkortet EPC9989. Denne enkanals 908 nm lasermodulen kan levere pulser fra 1 til 100 ns med en topp utgangseffekt på 120 watt. Den støtter et driftstemperaturområde på -40 til +105 °C med en driftssyklus på 0,2 % og kommer i en kompakt QFN-kapsling som måler 2,0 x 2,3 x 0,69 mm.

Figur 7: SPL S1L90A_3 A01-laserdioden produserer pulser fra 1 til 100 ns og kan brukes med adapterkortet EPC9989. (Bildekilde: ams OSRAM)

For LiDAR-systemer som krever ekstremt smale pulsbredder, kan designere henvende seg til Texas Instruments' LMG1025-Q1, som er en enkeltkanals lavsideportdriver med en utgangspulsbredde på 1,25 ns som muliggjør kraftige LiDAR-systemer som oppfyller IEC 60825-1 klasse 1-sikkerhetskrav. Dens smale pulsbreddeevne, raske veksling og 300 picosekunder (ps) pulsforvrengning muliggjør presise LiDAR ToF-målinger over et langt område.

En forplantningsforsinkelse på 2,9 ns forbedrer kontrollsløyfens responstid, og 2 x 2 mm QFN-kapslingen minimerer parasittisk induktans, noe som støtter høystrøms- og lavringende veksling i høyfrekvente LiDAR-drivkretser. LMG1025-Q1EVM er en evalueringsmodul for LMG1025-Q1, som har en plass for å romme en resistiv belastning som representere en typisk laserdiode, eller for montering av en laserdiode etter stasjonspulsinnstilling med en resistiv belastning (Figur 8).

Figur 8: Demonstrasjonskortet LMG1025-Q1EVM kan romme en resistiv belastning som representerer en typisk laserdiode for innledende oppsett. (Bildekilde: Texas Instruments)

Konklusjon

Designere blir stadig mer utfordret til å utvikle automotive LiDAR-systemer, som leverer sanntids ToF-målinger med centimeteroppløsning, som oppfyller sikkerhetskravene i klasse 1 i IEC 60825-1. Som vist kan GaN FET-er brukes med en rekke laserdioder for å produsere nanosekunders pulsbredder og høye toppeffektnivåer som trengs i høyytelses automotiv LiDAR.

Anbefalt lesing

1. Sikring av LiDAR Automotive Distance Sensor Presisjon med riktig TIA
2. Kom raskt i gang med 3D ToF-utrustninger (Time-of-Flight-utrustninger)