Hurtig guide til GaN FET'er til LiDAR i selvkørende køretøjer

LiDAR-anvendelser (Light detection and ranging) omfatter autonome køretøjer, droner, lagerautomatisering og præcisionslandbrug. Der er mennesker til stede ved de fleste af disse applikationer, hvilket giver anledning til bekymring for, om en LiDAR-laser kan forårsage øjenskader. For at undgå personskader skal LiDAR-systemer til biler opfylde sikkerhedskravene i IEC 60825-1 klasse 1, når de sender med op til 200 watt.

Den generelle løsning bruger en puls på 1 til 2 nanosekunder (ns) med en gentagelsesfrekvens på 1 til 2 megahertz (MHz). Det er en udfordring, da en mikrocontroller eller et andet stort digitalt integreret kredsløb (IC) er nødvendigt for at styre laserdioden, men kan ikke drive den direkte, så der skal tilføjes et gate-driverkredsløb. Designet af denne gate-driver skal også optimeres for at sikre, at LiDAR-systemets ydeevne er egnet til SAE (Society of Automotive Engineers) niveau 3 og højere ADAS-systemer (avancerede driver assistance systems).

Det er komplekst og tidskrævende at designe en højeffektiv gate-driver, der opfylder sikkerhedskravene i IEC 60825-1 ved hjælp af diskrete komponenter, hvilket kan øge omkostningerne og forlænge tiden til markedet. For at imødekomme disse udfordringer kan designerne anvende integrerede, højhastigheds gate-driver-IC'er parret med galliumnitrid (GaN) effekt-felteffekttransistorer (FET'er). Ved at bruge en integreret løsning minimeres de parasitstrømme, der forringer drivsignalets integritet, især i laserstrømsløjfen med høj strømstyrke, og det gør det muligt at placere højstrømsdriveren tæt på strømafbryderne, hvilket minimerer effekten af højfrekvent koblingsstøj.

Denne artikel giver en kort introduktion til LIDAR. Den diskuterer anvendelser og sikkerhedskrav, før den gennemgår udfordringerne ved at designe LiDAR til biler med fokus på højstrømslasereffektsløjfen. Derefter præsenteres LiDAR-løsninger fra Efficient Power Conversion (EPC), Excelitas Technologies, ams OSRAM og Texas Instruments, herunder GaN effekt-FET'er, gate-drivere og laserdioder, sammen med evalueringskort og implementeringsvejledning for at fremskynde udviklingsprocessen.

Sådan fungerer LiDAR

LiDAR-systemer måler rundrejse flyvetiden (ToF) (Δt) for en laserstrålepuls for at beregne afstanden til et objekt (Figur 1). Afstanden (d) kan beregnes ved hjælp af formlen d = c * Δt/2, hvor c er lysets hastighed i luft. Korte pulsvarigheder er en af nøglerne til LiDAR. Da lysets hastighed er ca. 30 centimeter pr. ns (cm/ns), har en LiDAR-puls på 1 ns en længde på ca. 30 cm. Det sætter en nedre grænse på ca. 15 cm for den mindste objektstørrelse, der kan opløses. Som følge heraf skal LiDAR-pulser begrænses til nogle få nanosekunder for at have en brugbar opløsning til miljøer i menneskelig skala.

Figur 1: LiDAR, der bruger ToF-målinger til at registrere objekter og bestemme deres afstand. (Billedkilde: ams OSRAM)

Pulsbredde, spidseffekt, gentagelsesfrekvens og arbejdscyklus er primære LiDAR-specifikationer. For eksempel kan en typisk laserdiode, der bruges i et LiDAR-system, have en pulsbredde på 100 ns eller mindre, en spidseffekt på >100 watt, en gentagelsesfrekvens på 1 kilohertz (kHz) eller højere og en arbejdscyklus på 0,2 %. Jo højere spidseffekt, jo længere er LiDAR'ens detekteringsrækkevidde, men det er en afvejning i forhold til varmeafledning. For en pulsbredde på 100 ns er den gennemsnitlige driftscyklus normalt begrænset til 0,1 % til 0,2 % for at forhindre laseroverophedning. Kortere pulsbredder bidrager også til LiDAR-sikkerheden.

IEC 60825-1 definerer lasersikkerhed i form af den maksimalt tilladte eksponering (MPE), som er den højeste energitæthed eller effekt af en lyskilde med ubetydeligt potentiale for at forårsage øjenskader. For at være ubetydelig er MPE-effektniveauet begrænset til ca. 10 % af energitætheden, hvilket har en 50 % mulighed for at forårsage øjenskader. Med et konstant effektniveau har kortere pulsbredder en lavere gennemsnitlig energitæthed og er mere sikre.

Mens en enkelt LiDAR ToF-måling kan bestemme afstanden til et objekt, kan tusindvis eller millioner af LiDAR ToF-målinger bruges til at skabe en tredimensionel (3-D) punktsky (figur 2). En punktsky er en samling af datapunkter, der lagrer store mængder information kaldet komponenter. Hver komponent indeholder en værdi, der beskriver en attribut. Komponenterne kan omfatte x-, y- og z-koordinater og oplysninger om intensitet, farve og tid (for at måle objektets bevægelse). LiDAR-punktskyer skaber en 3D-model af målområdet i realtid.

Figur 2: LiDAR-systemer kombinerer et stort antal ToF-målinger for at skabe 3D-punktskyer og billeder af et målområde. (Billedkilde: EPC)

Brug GaN FET'er til at drive LiDAR-lasere

GaN FET'er skifter meget hurtigere end deres modstykker i silicium, hvilket gør dem velegnede til LiDAR-applikationer, der kræver meget smalle pulsbredder. For eksempel er EPC2252 fra EPC en AEC-Q101 automotiv-kvalificeret 80 volt GaN FET, der kan klare strømimpulser på op til 75 ampere (A) (figur 3). EPC2252 har en maksimal on-modstand (RDS_(on)) på 11 milliohms (mΩ), en maksimal total gate-ladning (Q_g) på 4,3 nanocoulombs (nC) og nul source-drain gendannelsesladning (Q_RR).

IC'en leveres som DSBGA (die-size ball grid array). Det betyder, at den passiverede chip er direkte fastgjort til loddekuglerne uden nogen anden emballage. Det betyder, at DSBGA-chippene har samme størrelse som silicium-chips, hvilket minimerer deres formfaktor. I dette tilfælde bruger EPC2252 en 9-DSBGA-implementering, der måler 1,5 x 1,5 millimeter (mm). Den har en termisk modstand på 8,3 °C pr. watt (˚C/W) fra forbindelse til kort, hvilket gør den velegnet til systemer med høj densitet.

Figur 3: EPC2252 GaN FET er AEC-Q101-kvalificeret og er velegnet til at drive laserdioder i LiDAR-systemer til biler. (Billedkilde: EPC)

Designere kan bruge EPC's udviklingskort EPC9179 til en hurtig start ved at anvende EPC2252 i LiDAR-systemer med samlede pulsbredder på 2 til 3 ns (figur 4). EPC9179 indeholder en LMG1020 gate-driver fra Texas Instruments, som kan styres med et eksternt signal eller en indbygget smalpulsgenerator (med sub-nanosekund-præcision).

Figur 4: Her ses EPC9179-demokortet til EPC2252 GaN FET og andre nøglekomponenter. (Billedkilde: EPC)

Udviklingskortet leveres med et EPC9989 interposer-kort bestående af break-away 5 x 5 mm interposers (figur 5). Disse svarer til monteringsfodaftrykkene for mange almindelige overflademonterede laserdioder, såsom SMD og MMCX, samt de mønstre, der er designet til at rumme RF-stik og en lang række andre belastninger.

Figur 5: EPC9989 interposer-kortet indeholder en samling interposere, såsom SMD-laserinterposeren vist øverst til højre, som kan brækkes af til brug med EPC9179 demokortet. (Billedkilde: EPC)

Excelitas Technologies' TPGAD1S09H pulserende laser (figur 6), der udsender ved 905 nanometer (nm), kan bruges sammen med EPC9989 interposer-kortet. Denne laserdiode bruger en monolitisk chip med flere lag monteret på en blyfri laminatbærer for at give fremragende termisk ydeevne med en bølgelængdetemperaturkoefficient (Δλ/ΔT) på 0,25 nm/°C. Denne quantum-well-laser understøtter stig- og faldtider på <1 ns med en passende driver. TPGAD1S09H kan bruges i overflademonterede applikationer og hybridintegration. Den kan udsende lys parallelt eller vinkelret på monteringsplanet, og indkapslingen med epoxyharpiks understøtter billig produktion i store mængder.

Figur 6: TPGAD1S09H pulserende laser producerer meget høje spidsimpulser og kan udsende lys parallelt eller vinkelret på monteringsplanet. (Billedkilde: Excelitas)

SPL S1L90A_3 A01 fra ams OSRAM (figur 7) er et andet eksempel på en laserdiode, der kan bruges sammen med EPC9989 interposer-kortet. Dette enkeltkanals 908 nm lasermodul kan levere pulser fra 1 til 100 ns med en spidseffekt på 120 watt. Den understøtter et driftstemperaturområde på -40 til +105 °C med en arbejdscyklus på 0,2 % og leveres i en kompakt QFN-pakke, der måler 2,0 x 2,3 x 0,69 mm.

Figur 7: SPL S1L90A_3 A01-laserdioden producerer pulser fra 1 til 100 ns og kan bruges sammen med EPC9989 interposer-kortet. (Billedkilde: ams OSRAM)

Til LiDAR-systemer, der kræver ekstremt smalle pulsbredder, kan designere henvende sig til Texas Instruments' LMG1025-Q1, som er en enkeltkanals gate-driver på lav side med en udgangspulsbredde på 1,25 ns, der muliggør kraftfulde LiDAR-systemer, der opfylder IEC 60825-1 klasse 1 sikkerhedskrav. Dens smalle pulsbredde, hurtige skift og 300 picosekunders (ps) pulsforvrængning muliggør præcise LiDAR ToF-målinger over en lang rækkevidde.

En udbredelsesforsinkelse på 2,9 ns forbedrer kontrolsløjfens responstid, og den 2 x 2 mm store QFN-pakke minimerer parasitisk induktans, hvilket understøtter højstrøms, lavringende switching i højfrekvente LiDAR-drivkredsløb. LMG1025-Q1EVM er et evalueringsmodul til LMG1025-Q1, som har plads til en resistiv belastning, der repræsenterer en typisk laserdiode, eller til montering af en laserdiode efter tuning af drivepulsen med en resistiv belastning (figur 8).

Figur 8: Demokortet LMG1025-Q1EVM kan rumme en resistiv belastning, der repræsenterer en typisk laserdiode til indledende opsætning. (Billedkilde: Texas Instruments)

Konklusion

Designere bliver i stigende grad udfordret til at udvikle LiDAR-systemer til biler, der leverer ToF-målinger i realtid med centimeteropløsning, og som opfylder sikkerhedskravene i klasse 1 i IEC 60825-1. Som vist kan GaN FET'er bruges med en række forskellige laserdioder til at producere de nanosekund pulsbredder og høje spidseffektniveauer, der er nødvendige i højtydende LiDAR til biler.

Anbefalet læsning

1. Sørg for, at LiDAR-køretøjets afstandssensorpræcision har den rigtige TIA
2. Kom hurtigt i gang med 3D Time-of-Flight applikationer