Beknopte gids voor GaN FET's voor LiDAR in autonome voertuigen

LiDAR-toepassingen (Light Detection and ranging) omvatten autonome voertuigen, drones, magazijnautomatisering en precisielandbouw. In de meeste van deze toepassingen zijn mensen aanwezig, wat leidt tot bezorgdheid over het potentieel van een LiDAR laser om oogletsel te veroorzaken. Om letsel te voorkomen moeten LiDAR-systemen voor auto's voldoen aan de IEC 60825-1 klasse 1 veiligheidsvereisten bij een zendvermogen tot 200 watt.

De algemene oplossing gebruikt een puls van 1 tot 2 nanoseconden (ns) met een herhalingssnelheid van 1 tot 2 megahertz (MHz). Dit is een uitdaging omdat er een microcontroller of ander groot digitaal geïntegreerd circuit (IC) nodig is om de laserdiode aan te sturen, maar deze niet direct kan aansturen. Ook moet het ontwerp van deze poortdriver worden geoptimaliseerd om ervoor te zorgen dat de prestaties van het LiDAR-systeem geschikt zijn voor SAE (Society of Automotive Engineers) niveau 3 en hoger geavanceerde rijhulpsystemen (ADAS).

Het ontwerpen van een krachtige en krachtige poortdriver die voldoet aan de veiligheidsvereisten van IEC 60825-1 met behulp van discrete componenten is complex en tijdrovend, waardoor de kosten mogelijk hoger uitvallen en de tijd tot de marktintroductie langer duurt. Om deze uitdagingen aan te gaan, kunnen ontwerpers zich wenden tot geïntegreerde, snelle gate driver IC's in combinatie met galliumnitride (GaN) vermogen-veldeffecttransistors (FET's). Het gebruik van een geïntegreerde oplossing minimaliseert de parasieten die de integriteit van het aandrijfsignaal aantasten, in het bijzonder in de hoge stroom laser power loop, en het maakt het mogelijk om de hoge stroom driver dicht bij de vermogensschakelaars te plaatsen, waardoor het effect van hoogfrequente schakelruis geminimaliseerd wordt.

Dit artikel geeft een korte inleiding tot LiDAR. Er wordt ingegaan op toepassingen en veiligheidsvereisten voordat de uitdagingen van het ontwerpen van LiDAR voor auto's worden besproken, waarbij de nadruk ligt op de laserstroomkringloop met hoge stroomsterkte. Vervolgens worden LiDAR-oplossingen gepresenteerd van Efficient Power Conversion (EPC), Excelitas Technologies, ams OSRAM en Texas Instruments, waaronder GaN power FET's, gate drivers en laserdiodes, samen met evaluatiekaarten en implementatierichtlijnen om het ontwikkelingsproces te versnellen.

Hoe LiDAR werkt

LiDAR-systemen meten de time-of-flight (ToF) (Δt) van een laserstraalpuls om de afstand tot een object te berekenen (Afbeelding 1). De afstand (d) kan worden berekend met de formule d = c * Δt/2, waarbij c de lichtsnelheid in lucht is. Korte pulsduren zijn een van de sleutels tot LiDAR. Aangezien de lichtsnelheid ongeveer 30 centimeter per ns (cm/ns) is, heeft een LiDAR-puls van 1 ns een lengte van ongeveer 30 cm. Dit stelt een ondergrens van ongeveer 15 cm aan de minimale kenmerkgrootte die kan worden opgelost. Als gevolg hiervan moeten LiDAR-pulsen beperkt worden tot enkele nanoseconden om een bruikbare resolutie te hebben voor omgevingen op menselijke schaal.

Afbeelding 1: LiDAR gebruikt ToF-metingen om objecten te detecteren en hun afstand te bepalen. (Bron afbeelding: ams OSRAM)

Pulsbreedte, piekvermogen, herhalingsfrequentie en duty cycle zijn primaire LiDAR-specificaties. Een typische laserdiode die in een LiDAR-systeem wordt gebruikt, kan bijvoorbeeld een pulsbreedte van 100 ns of minder hebben, een piekvermogen van >100 watt, een herhalingsfrequentie van 1 kilohertz (kHz) of hoger en een duty cycle van 0,2%. Hoe hoger het piekvermogen, hoe groter het detectiebereik van de LiDAR, maar de thermische dissipatie is een afweging. Voor een pulsbreedte van 100 ns wordt de gemiddelde duty cycle meestal beperkt tot 0,1% tot 0,2% om oververhitting van de laser te voorkomen. Kortere pulsbreedtes dragen ook bij aan de veiligheid van LiDAR.

IEC 60825-1 definieert laserveiligheid in termen van maximaal toelaatbare blootstelling (MPE), wat de hoogste energiedichtheid of het hoogste vermogen van een lichtbron is met een verwaarloosbaar potentieel om oogletsel te veroorzaken. Om verwaarloosbaar te zijn, is het MPE-vermogen beperkt tot ruwweg 10% van de energiedichtheid, die 50% kans heeft om oogletsel te veroorzaken. Bij een constant vermogensniveau hebben kortere pulsbreedten een lagere gemiddelde energiedichtheid en zijn ze veiliger.

Terwijl een enkele LiDAR ToF meting de afstand tot een object kan bepalen, kunnen duizenden of miljoenen LiDAR ToF metingen worden gebruikt om een driedimensionale (3-D) puntenwolk te maken (Afbeelding 2). Een puntenwolk is een verzameling gegevenspunten die grote hoeveelheden informatie opslaan, componenten genaamd. Elke component bevat een waarde die een attribuut beschrijft. De componenten kunnen x-, y- en z-coördinaten bevatten en informatie over de intensiteit, kleur en tijd (om de beweging van het object te meten). LiDAR-puntenwolken creëren een real-time 3D-model van het doelgebied.

Afbeelding 2: LiDAR-systemen combineren grote aantallen ToF-metingen om 3-D puntenwolken en beelden van een doelgebied te maken. (Bron afbeelding: EPC)

GaN FET's gebruiken om LiDAR-lasers van stroom te voorzien

GaN FET's schakelen veel sneller dan hun silicium tegenhangers, waardoor ze geschikt zijn voor LiDAR-toepassingen die zeer smalle pulsbreedten vereisen. De EPC2252 van EPC is bijvoorbeeld een AEC-Q101 voor auto's gekwalificeerde GaN FET van 80 volt die stroompulsen tot 75 ampère (A) aankan (Afbeelding 3). De EPC2252 heeft een maximale inschakelweerstand (RDS_(on)) van 11 milliohms (mΩ), een maximale totale poortlading (Q_g) van 4,3 nanocoulomb (nC) en zero source-drain herstellading (Q_RR).

Het IC wordt geleverd als een DSBGA (die-size ball grid array). Dit betekent dat de gepassiveerde matrijs rechtstreeks aan soldeerballen wordt bevestigd zonder enige andere verpakking. Hierdoor zijn de DSBGA-chips even groot als de siliciummatrijs, waardoor hun vormfactor minimaal is. In dit geval gebruikt de EPC2252 een 9-DSBGA-implementatie van 1,5 x 1,5 millimeter (mm). Hij heeft een thermische weerstand van 8,3 °C per watt (˚C/W) van knooppunt tot bord, waardoor hij geschikt is voor systemen met een hoge dichtheid.

Afbeelding 3: De EPC2252 GaN FET is gekwalificeerd voor AEC-Q101 en is geschikt voor het aansturen van laserdiodes in LiDAR-systemen voor auto's. (Bron afbeelding: EPC)

Ontwerpers kunnen het EPC9179-ontwikkelbord van EPC gebruiken voor een snelle start door de EPC2252 toe te passen in LiDAR-systemen met totale pulsbreedten van 2 tot 3 ns (Afbeelding 4). De EPC9179 bevat een LMG1020-gatedriver van Texas Instruments die kan worden aangestuurd door een extern signaal of een ingebouwde smalle-pulsgenerator (met sub-nanoseconde precisie).

Afbeelding 4: Afgebeeld is het EPC9179-demobord voor de EPC2252 GaN FET en andere belangrijke componenten. (Bron afbeelding: EPC)

Het ontwikkelbord wordt geleverd met een EPC9989-interposerbord die bestaat uit break-away 5 x 5 mm interposers (Afbeelding 5). Deze komen overeen met de montagefootprints van veel gangbare laserdiodes voor oppervlaktemontage, zoals SMD en MMCX, en met de patronen die zijn ontworpen voor RF-connectors en een grote verscheidenheid aan andere belastingen.

Afbeelding 5: Het EPC9989-interposerbord biedt een verzameling interposers, zoals de SMD-laserinterposer rechtsboven, die losgeklikt kunnen worden voor gebruik met het EPC9179 demobord. (Bron afbeelding: EPC)

De TPGAD1S09H gepulseerde laser (afbeelding 6) van Excelitas Technologies, die uitzendt op 905 nanometer (nm), kan worden gebruikt met het EPC9989-interposerbord. Deze laserdiode gebruikt een monolithische chip met meerdere lagen, gemonteerd op een loodvrije laminaatdrager, om uitstekende thermische prestaties te leveren met een golflengtetemperatuurcoëfficiënt (Δλ/ΔT) van 0,25 nm/°C. Deze kwantumcellaser ondersteunt stijg- en valtijden van <1 ns met een geschikte driver. De TPGAD1S09H kan worden gebruikt in opbouwtoepassingen en hybride integratie. Het kan licht uitstralen parallel of loodrecht op het montagevlak en de inkapseling met epoxyhars maakt het mogelijk om goedkoop en in grote aantallen te produceren.

Afbeelding 6: De TPGAD1S09H gepulseerde laser produceert zeer hoge piekpulsen en kan licht uitstralen parallel aan of loodrecht op het montagevlak. (Bron afbeelding: Excelitas)

De SPL S1L90A_3 A01 van ams OSRAM (Afbeelding 7) is een ander voorbeeld van een laserdiode die kan worden gebruikt met het EPC9989-interposerbord. Deze eenkanaals 908 nm lasermodule kan pulsen leveren van 1 tot 100 ns met een piekvermogen van 120 watt. Hij ondersteunt een bedrijfstemperatuurbereik van -40 tot +105 °C met een duty cycle van 0,2% en wordt geleverd in een compact QFN-pakket van 2,0 x 2,3 x 0,69 mm.

Afbeelding 7: De SPL S1L90A_3 A01 laserdiode produceert pulsen van 1 tot 100 ns en kan gebruikt worden met het EPC9989-interposerbord. (Bron afbeelding: ams OSRAM)

Voor LiDAR-systemen die extreem smalle pulsbreedten vereisen, kunnen ontwerpers zich wenden tot de LMG1025-Q1 van Texas Instruments. Dit is een enkelkanaals, low-side gatedriver met een uitgangspulsbreedte van 1,25 ns die krachtige LiDAR-systemen mogelijk maakt die voldoen aan de IEC 60825-1 klasse 1-veiligheidsvereisten. De smalle pulsbreedte, het snelle schakelen en de pulsvervorming van 300 picoseconden (ps) maken nauwkeurige LiDAR ToF-metingen over een groot bereik mogelijk.

Een voortplantingsvertraging van 2,9 ns verbetert de reactietijd van de controlelus en het 2 x 2 mm QFN-pakket minimaliseert parasitaire inductantie, wat het schakelen met hoge stroom en lage rinkeling in hoogfrequente LiDAR-stuurcircuits ondersteunt. De LMG1025-Q1EVM is een evaluatiemodule voor de LMG1025-Q1 die een plaats biedt voor een weerstandsbelasting om een typische laserdiode voor te stellen, of voor het monteren van een laserdiode na afstemming van de aandrijfpuls met een weerstandsbelasting (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: Op het LMG1025-Q1EVM-demobord past een weerstandsbelasting die een typische laserdiode voorstelt om in te stellen. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Conclusie

Ontwerpers worden steeds meer uitgedaagd om LiDAR-systemen voor auto's te ontwikkelen die real-time ToF-metingen met een resolutie van een centimeter leveren die voldoen aan de veiligheidseisen van klasse 1 van IEC 60825-1. Zoals aangetoond kunnen GaN FET's worden gebruikt met een verscheidenheid aan laserdiodes om de nanoseconde pulsbreedtes en hoge piekvermogens te produceren die nodig zijn in krachtige LiDAR voor auto's.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Garandeer de nauwkeurigheid van LiDAR-afstandssensors voor auto's met de juiste TIA
2. Snel aan de slag met 3D Time-of-Flight-toepassingen