Snabbguide till GaN FET:ar för LiDAR i autonoma fordon

Tillämpningar med LiDAR (Light Detection and Ranging) omfattar autonoma fordon, drönare, lagerautomation och precisionsjordbruk. Människor är närvarande i de flesta av dessa tillämpningar, vilket leder till farhågor om att en LiDAR-laser kan orsaka ögonskador. För att förhindra personskador måste LiDAR-system för fordon uppfylla säkerhetskraven i IEC 60825-1 klass 1 vid sändning med upp till 200 W.

Den generella lösningen använder en puls på 1 till 2 ns med en upprepningsfrekvens på 1 till 2 MHz. Detta är en utmaning eftersom en microcontroller eller annan stor digital integrerad krets krävs för att styra laserdioden men inte kan driva den direkt, så en gatedrivkrets måste läggas till. Konstruktionen av gatedrivkretsen måste även optimeras för att garantera att LiDAR-systemets prestanda är lämpliga för SAE nivå 3 (Society of Automotive Engineers) och avancerade förarassistanssystem (ADAS) på högre nivå.

Att konstruera en högeffektiv gatedrivkrets för hög effekt som uppfyller säkerhetskraven i IEC 60825-1 med diskreta komponenter är komplicerat och tidskrävande, vilket kan öka kostnaderna och förlänga tiden till marknaden. För att klara dessa utmaningar kan konstruktörer använda sig av integrerade, snabba gatedrivkretsar i kombination med fälteffekttransistorer (FET:ar) av galliumnitrid (GaN). Med en integrerad lösning minimeras den parasitiska påverkan som försämrar styrsignalens integritet, särskilt i högströmslaserns effektslinga, och det gör det möjligt att placera drivkretsen för hög ström nära switcharna, vilket minimerar effekten av högfrekventa störningar vid switchningen.

Artikeln ger en kort introduktion till LiDAR. Den diskuterar tillämpningar och säkerhetskrav innan den går igenom utmaningarna med att utforma LiDAR för fordon, med fokus på högströmslaserns effektslinga. Därefter presenteras LiDAR-lösningar från Efficient Power Conversion (EPC), Excelitas Technologies, ams OSRAM och Texas Instruments, inklusive GaN effekt-FET:ar, gatedrivkretsar och laserdioder, tillsammans med utvärderingskort och implementeringsvägledning för att påskynda utvecklingsprocessen.

Så här fungerar LiDAR

LiDAR-system mäter den totala transporttiden (ToF) (Δt) för en puls laserljus för att beräkna avståndet till ett föremål (figur 1). Avståndet (d) kan beräknas med formeln d = c * Δt/2, där c är ljusets hastighet i luft. Korta pulslängder är en av nycklarna till LiDAR. Eftersom ljusets hastighet är ca 30 cm/ns har en LiDAR-puls på 1 ns en längd på ca 30 cm. Detta sätter en nedre gräns på ca 15 cm för den minsta storlek på föremål som går att upptäcka. Detta medför att LiDAR-pulserna måste begränsas till några nanosekunder för att ha en användbar upplösning för miljöer i mänsklig skala.

Bild 1: LiDAR använder ToF-mätningar för att upptäcka objekt och konstatera deras avstånd. (Bildkälla: ams OSRAM)

Pulsbredd, toppeffekt, repetitionsfrekvens och arbetscykel är primära specifikationer för LiDAR. En typisk laserdiod som används i ett LiDAR-system kan exempelvis ha en pulsbredd på 100 ns eller mindre, en toppeffekt på >100 W, en repetitionsfrekvens på 1 kHz eller högre och en arbetscykel på 0,2 %. Ju högre toppeffekt, desto längre detekteringsområde för LiDAR, men värmeavledning är en kompromiss. För en pulsbredd på 100 ns är den genomsnittliga arbetscykeln vanligtvis begränsad till 0,1 % till 0,2% för att förhindra överhettning av lasern. Kortare pulsbredder bidrar också till LiDAR-säkerheten.

IEC 60825-1 definierar lasersäkerhet i termer av maximal tillåten exponering (MPE), vilket är den högsta energitätheten eller effekten hos en ljuskälla med försumbar potential att orsaka ögonskador. För att vara försumbar begränsas MPE-effektnivån till ungefär 10 % av energitätheten, som har en 50 % sannolikhet att orsaka ögonskador. Med en konstant effektnivå har kortare pulsbredder en lägre genomsnittlig energidensitet och är därmed säkrare.

Medan en enda LiDAR ToF-mätning kan bestämma avståndet till ett objekt, kan tusentals eller miljontals LiDAR ToF-mätningar användas för att skapa ett tredimensionellt (3-D) punktmoln (figur 2). Ett punktmoln är en samling datapunkter som lagrar stora mängder information som kallas komponenter. Respektive komponent innehåller ett värde som beskriver ett attribut. Komponenterna kan innehålla x-, y- och z-koordinater samt information om intensitet, färg och tid (för att mäta objektets rörelse). LiDAR-punktmoln skapar en 3D-modell av målområdet i realtid.

Figur 2: LiDAR-system som kombinerar ett stort antal ToF-mätningar för att skapa 3D-punktmoln och bilder av ett målområde. (Bildkälla: EPC)

Använd GaN FET:ar för att driva LiDAR-lasrar

GaN FET:ar switchar mycket snabbare än sina motsvarigheter av kisel, vilket gör dem lämpliga för LiDAR-tillämpningar som kräver väldigt smala pulsbredder. EPC2252 från EPC är exempelvis en GaN-FET för 80 V som är godkänd enligt AEC-Q101 och hanterar strömpulser på upp till 75 A (figur 3). EPC2252 har en maximal på-resistans (RDS_(on)) på 11 milliohm (mΩ), en maximal total gateladdning (Q_g) på 4,3 nC och noll source-drain återhämtningsladdning (Q_RR).

Kretsen levereras i en DSBGA-matris. Det innebär att den passiverade kretsplattan fästs direkt på lödkulorna utan någon annan kapsling. Det innebär att DSBGA-kretsarna har samma storlek som kiselkretsarna, vilket minimerar deras format. I det här fallet använder EPC2252 en 9-DSBGA-implementering med måtten 1,5 x 1,5 mm. Den har en termisk resistans på 8,3°C/W från övergång till kretskort, vilket gör den lämplig för system med hög densitet.

Figur 3: GaN-FET:en EPC2252 är godkänd enligt AEC-Q101 och är lämplig för att driva laserdioder i LiDAR-system för fordonsindustrin. (Bildkälla: EPC)

Konstruktörer kan använda utvecklingskortet EPC9179 från EPC för en komma igång snabbt, genom att använda EPC2252 i LiDAR-system med totala pulsbredder på 2 till 3 ns (figur 4). EPC9179 innehåller gatedrivkretsen LMG1020 från Texas Instruments som kan styras av en extern signal eller en inbyggd smalpulsgenerator (med precision på mindre än en nanosekund).

Figur 4: Här visas demonstrationskortet EPC9179 för GaN-FET:en EPC2252 och andra viktiga komponenter. (Bildkälla: EPC)

Utvecklingskortet levereras med adapterkortet EPC9989 som består av brytbara 5 x 5 mm adaptrar (figur 5). Dessa motsvarar monteringsytorna för många vanliga ytmonterade laserdioder, som t.ex. SMD och MMCX, samt de mönster som är avsedda för RF-kontakter och en mängd andra belastningar.

Figur 5: adapterkortet EPC9989 innehåller en samling adaptrar, t.ex. adaptern för ytmonterad laser som visas längst upp till höger, och kan brytas av för användning med demonstrationskortet EPC9179. (Bildkälla: EPC)

Pulslasern TPGAD1S09H från Excelitas Technologies (figur 6), som avger ljus vid 905 nanometer (nm), kan användas med adapterkortet EPC9989. Laserdioden använder en monolitisk flerlagerskrets monterad på en blyfri laminatbärare för att ge utmärkta termiska prestanda och en våglängdstemperaturkoefficient (Δλ/ΔT) på 0,25 nm/°C. Denna laser med kvantbrunn har stöd för stig- och falltider på <1 ns med en lämplig drivkrets. TPGAD1S09H kan användas i ytmonterade tillämpningar och för hybridintegration. Den kan avge ljus parallellt eller vinkelrätt mot monteringsplanet, och inkapslingen med epoxiharts möjliggör tillverkning till låg kostnad i stora volymer.

Bild 6: Pulslasern TPGAD1S09H producerar mycket höga toppulser och kan avge ljus parallellt eller vinkelrätt mot monteringsplanet. (Bildkälla: Excelitas)

SPL S1L90A_3 A01 från ams OSRAM (bild 7) är ett annat exempel på en laserdiod som kan användas med adapterkortet EPC9989. Denna lasermodul för 908 nm med en kanal kan avge pulser från 1 till 100 ns med en maximal uteffekt på 120 W. Den hanterar ett driftstemperaturområde på -40 till +105°C med en arbetscykel på 0,2 % och levereras i en kompakt QFN-kapsling som mäter 2 x 2,3 x 0,69 mm.

Figur 7: Laserdioden SPL S1L90A_3 A01 producerar pulser på mellan 1 och 100 ns och kan användas med adapterkortet EPC9989. (Bildkälla: ams OSRAM)

För LiDAR-system som kräver extremt smala pulsbredder kan konstruktörer använda sig av LMG1025-Q1 från Texas Instruments, som är en gatedrivkrets för sekundärsidan med en kanal och 1,25 ns pulsbredd, vilket möjliggör kraftfulla LiDAR-system som uppfyller säkerhetskraven i IEC 60825-1 klass 1. Den smala pulsbredden, snabba switchningen och pulsdistorsionen på 300 ps möjliggör exakta LiDAR ToF-mätningar på långa avstånd.

En fördröjning på 2,9 ns förbättrar styrkretsens svarstid, och QFN-kapslingen på 2 x 2 mm minimerar den parasitiska induktansen, vilket ger stöd för switchning av hög ström med låg ringning i högfrekventa LiDAR-drivkretsar. LMG1025-Q1EVM är en utvärderingsmodul för LMG1025-Q1 med plats för en resistiv belastning för att representera en typisk laserdiod, eller för montering av en laserdiod efter trimning av drivpulsen med en resistiv belastning (figur 8).

Figur 8: Demonstrationskortet LMG1025-Q1EVM har plats för en resistiv belastning som kan representera en typisk laserdiod vid inledande konfiguration. (Bildkälla: Texas Instruments)

Sammanfattning

Konstruktörer ställs inför allt större utmaningar när det gäller att utveckla LiDAR-system som levererar ToF-mätningar i realtid med centimeterupplösning för fordon, och även uppfyller säkerhetskraven för klass 1 i IEC 60825-1. Som framgår kan GaN-FET:ar användas med en mängd olika laserdioder för att producera de pulsbredder på nanosekunder och höga toppeffektnivåer som krävs i högeffektiva LiDAR-system för fordon.

Rekommenderad läsning

1. Säkerställ precisionen i LiDAR-avståndssensorer för fordon med rätt TIA
2. Kom igång snabbt med Time-oF-Flight tillämpningar i 3D