Pikaopas autonomisten ajoneuvojen LiDAR-järjestelmiin suunnatuista GaN FET -transistoreista

LiDAR (Light Detection And Ranging) -sovelluksiin kuuluvat muun muassa autonomiset ajoneuvot, droonit, varastoautomaatio ja täsmäviljely. Useimmissa näistä sovelluksista läsnä on ihmisiä, mikä herättää kysymyksiä siitä, voiko LiDAR-laser aiheuttaa silmävammoja. Loukkaantumisten estämiseksi ajoneuvojen LiDAR-järjestelmien on täytettävä IEC 60825-1 -standardin luokan 1 turvallisuusvaatimukset ja niiden maksimi lähetysteho on 200 wattia.

Yleinen ratkaisu on käyttää 1–2 nanosekunnin (ns) pituista pulssia 1–2 megahertsin (MHz) toistotaajuudella. Tämä on haasteellista, koska laserdiodin ohjaukseen tarvitaan mikrokontrolleri tai muu iso digitaalinen integroitu piiri (IC), mutta laserdiodia ei voi ohjata suoraan, vaan tähän tarvitaan myös hilaohjainpiiri. Lisäksi tämä hilaohjainratkaisu täytyy optimoida sen varmistamiseksi, että LiDAR-järjestelmän suorituskyky sopii SAE (Society of Automotive Engineers) -standardin tason 3 mukaisiin ja sitä korkeampiin ADAS (Advanced Driver Assistance) -järjestelmiin.

IEC 60825-1 -standardin turvallisuusvaatimukset täyttävän korkeatehoisen ja suorituskykyisen hilaohjaimen suunnittelu erilliskomponenttien avulla on monimutkaista ja vie paljon aikaa, mikä potentiaalisesti lisää kustannuksia ja pidentää markkinoilletuontiaikaa. Suunnittelijat voivat ratkaista nämä haasteet käyttämällä integroituja, huippunopeita hilaohjainmikropiirejä yhdessä galliumnitridipohjaisten (GaN) tehokanavatransistorien (FET) kanssa. Integroidun ratkaisun käyttäminen minimoi loishäviöt, jotka heikentävät ohjaussignaalin eheyttä erityisesti suurivirtaisessa laservirtasilmukassa. Lisäksi se mahdollistaa suurivirtaisen ohjaimen sijoittamisen lähelle tehokytkimiä, mikä minimoi korkeataajuisen kytkentäkohinan vaikutusta.

Tässä artikkelissa esitellään lyhyesti LiDAR. Siinä käsitellään sovelluksia ja turvallisuusvaatimuksia sekä tarkastellaan sitten ajoneuvojen LiDAR-suunnittelun haasteita keskittyen suurivirtaiseen laservirtasilmukkaan. Artikkelissa esitellään sen jälkeen yritysten Efficient Power Conversion (EPC), Excelitas Technologies, ams OSRAM ja Texas Instruments LiDAR-ratkaisuita, mukaan lukien GaN-FET-tehotransistorit, hilaohjaimet ja laserdiodit sekä arviointialustat ja kehitysprosessia nopeuttavat toteutusohjeet.

Miten LiDAR toimii

LiDAR-järjestelmät mittaavat lasersädepulssin edestakaisen kulkuajan (Δt) laskeakseen sen perusteella etäisyyden objektiin (kuva 1). Etäisyys (d) voidaan laskea kaavalla d = c * Δt/2, jossa c on valon nopeus ilmassa. Lyhyt pulssinkesto on yksi LiDAR-tekniikan avaintekijöistä. Koska valon nopeus on noin 30 senttimetriä nanosekunnissa (cm/ns), yhden nanosekunnin kestävän LiDAR-pulssin pituus on noin 30 cm. Tämä asettaa pienimmän ratkaistavissa olevan ominaisuuskoon alarajaksi noin 15 cm. Tämän vuoksi LiDAR-pulssit täytyy rajoittaa muutamaan nanosekuntiin, jotta niiden resoluutio olisi käyttökelpoinen ihmismittakaavan ympäristöissä.

Kuva 1: LiDAR käyttää kulkuaikamittauksia objektien tunnistukseen ja niiden etäisyyden määrittämiseen. (Kuvan lähde: ams OSRAM)

Pulssinleveys, huipputeho, toistotaajuus ja käyttöjakso ovat tärkeimpiä LiDAR-spesifikaatioita. Esimerkiksi LiDAR-järjestelmässä käytettävän tyypillisen laserdiodin pulssinleveys voi olla enintään 100 ns, huipputeho > 100 wattia, toistotaajuus vähintään 1 kilohertsi (kHz) ja käyttöjakso 0,2 %. Mitä korkeampi huipputeho, sitä pidempi on LiDAR-järjestelmän mittausalue, mutta kompromissina on lämpöhäviö. Pulssinleveyden ollessa 100 ns keskimääräinen käyttöjakso rajoitetaan yleensä 0,1–0,2 prosenttiin laserin ylikuumenemisen estämiseksi. Lyhyemmät pulssinleveydet parantavat myös LiDAR-turvallisuutta.

IEC 60825-1-standardi määrittelee laserturvallisuuden suurimman sallitun altistumisen (MPE) perusteella, joka tarkoittaa valonlähteen korkeinta energiatiheyttä tai tehoa, jolla mahdollisuus saada silmävamma on merkityksettömän vähäinen. Jotta MPE-tehotaso olisi merkityksetön, se on rajoitettu noin 10 prosenttiin siitä energiatiheydestä, jolla on 50 prosentin todennäköisyys aiheuttaa silmävamma. Tehotason pysyessä samana lyhyemmillä pulssinleveyksillä on pienempi keskimääräinen energiatiheys ja ne ovat turvallisempia.

Yhdellä LiDAR-kulkuaikamittauksella voidaan määrittää etäisyys objektiin, kun taas tuhansilla tai miljoonilla LiDAR-kulkuaikamittauksilla voidaan luoda kolmiulotteinen (3D) pistepilvi (kuva 2). Pistepilvi on kokoelma datapisteitä, joihin on tallennettu suuria määriä tietoa, joita kutsutaan komponenteiksi. Kukin komponentti sisältää ominaisuutta kuvaavan arvon. Komponentit voivat sisältää x-, y- ja z-koordinaatteja sekä tietoja intensiteetistä, väristä ja ajasta (objektin liikkeen mittaamiseksi). LiDAR-pistepilvillä luodaan reaaliaikainen 3D-malli kohdealueesta.

Kuva 2: LiDAR-järjestelmät yhdistävät suuren määrän kulkuaikamittauksia 3D-pistepilvien ja kuvien luomiseksi kohdealueesta. (Kuvan lähde: EPC)

GaN FET -transistorien käyttö LiDAR-lasereiden virransyötössä

GaN FET -transistorit kytkeytyvät paljon nopeammin kuin niiden piipohjaiset vastineet, joten ne soveltuvat erittäin kapeita pulssinleveyksiä vaativiin LiDAR-sovelluksiin. Esimerkiksi EPC:n EPC2252 on autoteollisuuden hyväksynnän AEC-Q101 saanut 80 voltin GaN-FET-transistori, joka mahdollistaa jopa 75 ampeerin (A) virtapulssit (kuva 3). EPC2252-transistorin maksimi johtamisresistanssi (RDS_(on)) on 11 milliohmia (mΩ), sen maksimi kokonaishilavaraus (Q_g) on 4,3 nanokoulombia (nC) ja sen lähde-nielu-toipumisvaraus (Q_RR) on nolla.

Mikropiiri käyttää DSBGA (Die-Size Ball Grid Array) -koteloa. Tämä tarkoittaa, että passivoitu siru on kytketty suoraan juotospisteisiin ilman muuta koteloa. Sen ansiosta DSBGA-sirut ovat samankokoisia kuin itse piisiru, mikä minimoi niiden koon. Tässä tapauksessa EPC2252 käyttää 9-DSBGA-toteutusta, jonka koko on 1,5 x 1,5 millimetriä (mm). Sen lämpöresistanssi on 8,3 °C wattia kohti (˚C/W) liitoskohdasta piirilevyyn, joten se soveltuu korkean tiheyden järjestelmiin.

Kuva 3: EPC2252 GaN FET -transistorilla on AEC-Q101-hyväksyntä, ja se soveltuu ajoneuvojen LiDAR-järjestelmien laserdiodien ohjaukseen. (Kuvan lähde: EPC)

Suunnittelijat voivat käyttää EPC:n EPC9179-kehitysalustaa EPC2252-transistorin nopeaan käyttöönottoon LiDAR-järjestelmissä kokonaispulssinleveyksillä 2–3 ns (kuva 4). EPC9179-kehitysalusta sisältää Texas Instrumentsin LMG1020-hilaohjaimen, jota voidaan ohjata ulkoisella signaalilla tai sisäisellä kapeapulssigeneraattorilla (alle nanosekunnin tarkkuudella).

Kuva 4: Kuvassa on EPC2252 GaN FET -transistorin ja muiden keskeisten komponenttien EPC9179-esittelyalusta. (Kuvan lähde: EPC)

Kehitysalustan mukana toimitetaan EPC9989-adapterikortti, joka koostuu 5 x 5 mm:n kokoisista irrotettavista adaptereista (kuva 5). Ne vastaavat monien yleisten pinta-asennettavien laserdiodien, kuten SMD- ja MMCX-laserdiodien, asennusmalleja sekä RF-liittimien ja monenlaisten muiden kuormien kiinnittämiseen tarkoitettuja malleja.

Kuva 5: EPC9989-adapterikortti tarjoaa erilaisia adaptereita, kuten yläoikealla näkyvän SMD-laseradapterin, joka voidaan napsauttaa irti käytettäväksi EPC9179-esittelyalustan kanssa. (Kuvan lähde: EPC)

Excelitas Technologies TPGAD1S09H-pulssilaseria (kuva 6), joka emittoi valoa aallonpituudella 905 nanometriä (nm), voidaan käyttää EPC9989-adapterikortin kanssa. Tämä laserdiodi käyttää monikerroksista monoliittista sirua, joka on asennettu jalattomaan laminaattikehykseen ja joka tarjoaa erinomaisen termisen suorituskyvyn aallonpituus-lämpötilakertoimella (Δλ/ΔT) 0,25 nm/°C. Tämä kvanttikaivolaser tukee nousu- ja laskuaikoja <1 ns sopivalla ohjaimella. TPGAD1S09H-pulssilaseria voidaan käyttää pinta-asennussovelluksissa ja hybridi-integroinnissa. Se voi emittoida valoa asennustasoon nähden samansuuntaisesti tai kohtisuoraan, ja epoksihartsikapselointi mahdollistaa edullisen suuren volyymin tuotannon.

Kuva 6: TPGAD1S09H-pulssilaser tuottaa erittäin korkeita huippupulsseja ja voi emittoida valoa samansuuntaisesti tai kohtisuoraan asennustasoon nähden. (Kuvan lähde: Excelitas)

Ams OSRAM SPL S1L90A_3 A01 (kuva 7) on toinen esimerkki laserdiodista, jota voidaan käyttää EPC9989-adapterikortin kanssa. Tämä yksikanavainen 908 nm:n lasermoduuli voi tuottaa pulsseja alueella 1–100 ns 120 watin enimmäislähtöteholla. Se tukee käyttölämpötila-aluetta −40 ... +105 °C käyttöjaksolla 0,2 %, ja se toimitetaan kompaktissa QFN-kotelossa, jonka mitat ovat 2,0 x 2,3 x 0,69 mm.

Kuva 7: SPL S1L90A_3 A01 -laserdiodi tuottaa pulsseja alueella 1–100 ns, ja sitä voidaan käyttää EPC9989-adapterikortin kanssa. (Kuvan lähde: ams OSRAM)

Erittäin kapeita pulssinleveyksiä vaativiin LiDAR-järjestelmiin suunnittelijat voivat valita Texas Instrumentsin LMG1025-Q1-hilaohjaimen. Se on yksikanavainen alapuolen hilaohjain lähtöpulssinleveydellä 1,25 ns, joka mahdollistaa standardin IEC 60825-1 luokan 1 turvallisuusvaatimusten mukaisten tehokkaiden LiDAR-järjestelmien toteutuksen. Tämän hilaohjaimen sopivuus kapeille pulssinleveyksille, nopea kytkentä ja 300 pikosekunnin (ps) pulssisärö mahdollistavat tarkat LiDAR-kulkuaikamittaukset pitkällä kantamalla.

2,9 ns:n etenemisviive parantaa ohjaussilmukan vasteaikaa, ja QFN-kotelokoko 2 x 2 mm minimoi loisinduktanssin ja tukee suurivirtaista, vähän värähtelevää kytkentää korkeataajuisissa LiDAR-ohjauspiireissä. LMG1025-Q1EVM on LMG1025-Q1-hilaohjaimen arviointimoduuli, jossa on paikka resistiiviselle kuormalle, joka voi mallintaa tyypillistä laserdiodia. Vaihtoehtoisesti paikkaan voidaan asentaa laserdiodi sen jälkeen, kun ohjauspulssin säätö on suoritettu resistiivisellä kuormalla (kuva 8).

Kuva 8: LMG1025-Q1EVM-esittelyalustalla voidaan käyttää tyypillistä laserdiodia mallintavaa resistiivistä kuormaa alustavia asetuksia varten. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Yhteenveto

On yhä haastavampaa kehittää ajoneuvojen LiDAR-järjestelmiä, jotka tuottavat reaaliaikaisia kulkuaikamittauksia senttimetrin tarkkuudella ja jotka täyttävät IEC 60825-1 -standardin luokan 1 turvallisuusvaatimukset. Kuten edellä on esitetty, GaN FET -transistoreja voidaan käyttää erilaisten laserdiodien kanssa nanosekuntitason pulssinleveyksien ja korkeiden huipputehotasojen tuottamiseen, joita tarvitaan korkean suorituskyvyn LiDAR-ajoneuvotekniikassa.

Suositeltavaa luettavaa

1. Varmista autojen LiDAR-etäisyysanturien tarkkuus sopivalla TIA-vahvistimella
2. Nopeasti alkuun 3D-kulkuaikasovelluksissa