Insikt i drivkretsarnas, switcharnas och laserdiodernas roll för effektiv LiDAR-prestanda

LiDAR-system (Light detection and ranging) har blivit den föredragna metoden för att göra det möjligt för en bil, ett automatiskt styrt fordon (AGV) eller till och med en robotdammsugare att "se" sin omgivning. Obemannade flygfarkoster och flygplan på hög höjd använder också LiDAR för att navigera och kartlägga terräng på större avstånd.

Även om LiDAR är väl utforskat måste konstruktörer vara mycket noggranna när de väljer viktiga komponenter, som t.ex. gatedrivkretsar, grindens switch-FET och den laserdiod som krävs för att skapa de optiska pulserna.

Artikeln ger en översikt av LiDAR. Därefter presenteras exempel på de viktiga elektrooptiska komponenterna och hur dessa samverkar för att skapa de nödvändiga pulserna.

Så här fungerar LiDAR

LiDAR fungerar genom att skicka ut en kontinuerlig ström av korta optiska pulser med medeleffekt och sedan fånga upp återstrålningen. Den mäter löptiden (ToF) för att skapa ett punktmoln av omgivningen för att återge ett tredimensionellt (3D) perspektiv (figur 1). Många system använder flera laserdioder i en matris för bredare täckning av ytan.

Bild 1: LiDAR skapar ett punktmoln som ger en 3D-återgivning av omgivningen. (Bildkälla: Blickfeld GmbH)

Tillämpningen avgör prestandan hos ett LiDAR-system. Ett system som används för en långsam, områdesbegränsad robotdammsugare eller ett automatiskt styrt fordon har mycket lägre krav på räckvidd och vinkelupplösning än ett system som används i en bil, som måste klara högre hastigheter och reagera på fordon, cyklister och fotgängare. De prestandamål som ofta anges som högsta nivå för fordonstillämpningar är en effektiv räckvidd på 100 till 200 meter och en vinkelupplösning på 0,1°.

En elektromekanisk galvanometer med två axlar söker av laserblixtarna i bildområdet för att åstadkomma ett exakt punktmoln. Eftersom LiDAR-systemet mäter löptiden för respektive utskickad puls och dess tillhörande återstrålning kan det skapa en 3D-bild med det perspektivdjup som krävs för att fordon ska kunna navigera i sin omgivning på ett korrekt sätt.

Den elektrooptiska vägen i hjärtat av LiDAR

Ett komplett LiDAR-system, som det som används i ett automatiskt styrt fordon, kräver en mängd olika sammankopplade optiska block, analoga block, mekaniska block och processorblock. Systemets hjärta är den elektrooptiska signalvägen, som består av en laserbaserad optisk källa och en optisk mottagare på samma plats (figur 2).

Bild 2: Den elektrooptiska signalvägen och tillhörande komponenter är hjärtat i ett LiDAR-system (höger sida, mittersta raden). (Bildkälla: ROHM)

Signalvägen i den källa som skapar strömmen av optiska pulser styrs av en dedicerad microcontroller (MCU), som bestämmer den optiska pulsens önskade upprepningsfrekvens och bredd. Källans signalväg innehåller tre viktiga delar:

• Gatedrivkretsen tillhandahåller pulser med hög hastighet och snabba stig- och falltider för att slå på och av gateswitchen.
• Gatens switch-FET som slås av och på för att styra laserdiodens strömflöde.
• Laserdioden skapar oberoende, icke-överlappande optiska pulser med den önskade våglängden.

För att välja och integrera dessa komponenter krävs insikt i elektriska frågor, och optiska egenskaper som synfält, laserdiodens effekt och våglängdens vinkelkänslighet samt det optiska signal-brusförhållandet (SNR). Avancerade mjukvarualgoritmer kan övervinna vissa begränsningar i de elektrooptiska signalvägarna och utmaningar i den avkända miljön. Det är dock klokt att välja komponenter som är optimerade för LiDAR istället för att utgå ifrån att algoritmerna kan kompensera för brister.

En titt på en representativ komponent för var och en av dessa funktioner illustrerar hur LiDAR-optimerade enheter hanterar de många utmaningarna:

Gatedrivkretsen

BD2311NVX-LBE2 från ROHM Semiconductor (figur 3) är en extremt snabb GaN-gatedrivkrets med en kanal som är väl lämpad för industriella tillämpningar som automatiskt styrda fordon. Den ger den kombination av drivström och spänning som krävs. Den levereras i kapsling med måtten 2 × 2 × 0,6 mm med 6 stift, och kan ge upp till 5,4 A utström med ett matningsspänningsområde på 4,5 till 5,5 V.

Bild 3: Det gatedrivkretsen BD2311NVX-LBE2 med en kanal tillhandahåller den kombination av drivström och spänning som krävs för noggrann styrning av en gatedrivkrets för LiDAR. (Bildkälla: ROHM)

BD2311NVX-LBE2 kan driva GaN-transistorer med hög elektronrörlighet (HEMT:ar) och andra switchande enheter med smala utgångspulser, vilket bidrar till den långa räckvidden och höga noggrannheten hos LiDAR. Dessa pulsrelaterade parametrar inkluderar en minsta pulsbredd för ingången på 1,25 ns, en typisk stigtid på 0,65 ns och en typisk falltid på 0,7 ns, allt med en belastning på 220 pF. Fördröjningstiden för till- och frånslag är 3,4 ns respektive 3 ns.

Gatedrivkretsens switch-FET

Gatedrivkretsens utgång ansluts till styringången på den strömstyrda switchningsenheten. Enheten måste växla snabbt mellan till- och frånslag enligt instruktioner från gatedrivkretsen och hantera relativt stora strömvärden, typiskt 50 till 100 A.

Den erforderliga prestandanivån kan uppnås med hjälp av enheter som EPC2252, en GaN-effekttransistor med N-kanal och förstärkningsläge från EPC som är godkänd för fordonsindustrin (AEC-Q101). Den har utomordentligt hög elektronrörlighet och låg temperaturkoefficient med en mycket låg på-resistans (R_DS(ON)), medan dess längsgående struktur och huvudiod har en exceptionellt låg total grindladdning (Q_G) och noll återställningsladdning (Q_RR) mellan source och drain. Resultatet är en enhet som kan hantera uppgifter där mycket hög switchningsfrekvens och låg på-tid är fördelaktigt och där förluster i på-läge dominerar.

Spänningen för drain-source på 80 V (V_DS), R_DS(ON) på 11 mΩ (max) och en kontinuerlig drainström (I_D) på 8,2 A i EPC2252 är bara en del av historien. Den är enkel att använda, kräver en grindstyrning på endast 5 V i på-läge, 0 V i av-läge och behöver ingen negativ spänning. Det förenklar överväganden för både drivkrets och matning.

Tack vare sin konstruktion och placering av kretsplattan klarar gateswitchen en I_D på 75 A (T_PULSE på 10 µs) och är förpackad som en passiverad kretsplatta med måtten 1,5 × 1,5 mm med nio lödpunkter (figur 4). Reducerad parasitik i kapsling och kretsplatta, som t.ex. en ingångskapacitans (C_ISS) på 440 pF (typisk), har stöd för pulser med hög hastighet och snabba övergångar.

Bild 4: GaN-effekttransistorn EPC2252 tillhandahåller den strömswitchning krävs för laserdioder med hög ström i ett kapsling med måtten 1,5 × 1,5 mm. (Bildkälla: EPC)

Laserdioden

Det här är den sista komponenten i den optiska signalvägen och den fungerar som en elektrooptisk omvandlare. Till skillnad från kameror, som är passiva enheter, är laserdioder aktiva källor som avger optisk strålning, och under vissa förhållanden anses vara skadlig för människors ögon. Den högsta tillåtna intensiteten definieras av standarder som EN 60825-1:2014, "Säkerhet för laserprodukter".

Säkerhetsklassificeringen av ett LiDAR-system beror på dess effekt, divergensvinkel, pulslängd, exponeringsriktning och våglängd. De flesta system använder en våglängd på 905 eller 1550 nm, vilket ger en godtagbar effektivitet och våglängdskompatibilitet mellan lasern och en lämplig fotodiod. I allmänhet kan en laser på 1550 nm avge mer effekt på ett säket sätt, än en laser på 905 nm innan den bedöms som osäker. Lasrar på 905 nm är dock populära eftersom de är mer kostnadseffektiva.

Med en våglängd på 905 nm är RLD90QZW3-00A från ROHM, en pulslaserdiod som är optimerad för LiDAR-tillämpningar. Den klarar en uteffekt på 75 W vid en framström (I_F) på 23 A och har överlägsen prestanda för tre parametrar: strålbredd (divergens), smalare våglängd och strålens stabilitet.

Stråldivergens definierar strålens spridning till följd av diffraktion. RLD90QZW3-00A anger typiska värden på 25° i det vinkelräta planet (θ_⊥) och 12° i det parallella planet (θ_//) (figur 5). Laserutgångens temperaturstabilitet är 0,15 nm/°C.

Bild 5: Pulslaserdioden RLD90QZW3-00A har typiska värden för stråldivergens på 25° i det vinkelräta planet (vänster) och 12° i det parallella planet (höger). (Bildkälla: ROHM)

Ljusemissionens smala bredd och stabilitet i den här laserdiodens utgående våglängd är också avgörande för förbättrad systemprestanda, eftersom de möjliggör användning av optiska bandpassfilter med smal våglängd. ROHM uppger att diodens 225 μm-område är 22 % mindre än tillgängliga konkurrerande enheter, vilket ger en högre upplösning och ett bredare avkänningsområde med hög strålskärpa, smal emissivitet och hög optisk densitet.

Dessa två faktorer förbättrar det optiska signal-brusförhållandet, vilket möjliggör en noggrann avkänning och bedömning av objekt på längre avstånd. En jämförande punktmolnsbild visar den positiva inverkan som dessa snäva och stabila specifikationer har på upplösningen (figur 6).

Bild 6: Stabiliteten och konsekvensen hos pulslaserdioden RLD90QZW3-00A ger ett bättre signal-brusförhållande och en bättra upplösning för punktmolnet. (Bildkälla: ROHM)

Sammanfattning

LiDAR används ofta för att fånga 3D-perspektiv av omgivningar och för att kartlägga terräng. LiDAR-systemets hjärta utgörs av de elektroniska och elektrooptiska komponenter som integrerar de komplexa funktioner som krävs för ett fungerande system. För funktionerna i den optiska källan måste gatedrivkretsen, gatens switch-FET och laserdioden vara kompatibla med avseende på spänning, ström, hastighet och stabilitet för att garantera optimal prestanda.

Relaterat LiDAR-innehåll

• Säkerställ noggrannhet för avståndsmätning i fordon med LiDAR-sensorer och rätt transimpedansförstärkare
• En förståelse för hur LiDAR fungerar visar vikten av noggranna val av transimpedansförstärkare och komparatorer
• Förenklad löptidsmätning av avstånd
• Komma igång med tillämpningar för 3D-löptidsmätning
• Snabbguide till GaN-FET:ar för LiDAR i autonoma fordon
• Integrerade tid till digitalomvandlare förenklar konstruktioner för avståndsmätning med löptid