Kurzer Leitfaden zu GaN-FETs für LiDAR in autonomen Fahrzeugen

Zu den Anwendungen von LiDAR (Light Detection And Ranging) gehören autonome Fahrzeuge, Drohnen, Lagerautomatisierung und Präzisionslandwirtschaft. Bei den meisten dieser Anwendungen sind Menschen anwesend, was zu Bedenken führt, dass ein LiDAR-Laser Augenschäden verursachen könnte. Um Verletzungen zu vermeiden, müssen LiDAR-Systeme für Kraftfahrzeuge die Sicherheitsanforderungen der IEC 60825-1 Klasse 1 erfüllen und mit einer Leistung von bis zu 200 Watt senden.

Die allgemeine Lösung verwendet einen Puls von 1 bis 2 Nanosekunden (ns) bei einer Wiederholrate von 1 bis 2 Megahertz (MHz). Dies ist eine Herausforderung, da ein Mikrocontroller oder ein anderer großer digitaler integrierter Schaltkreis (IC) benötigt wird, um die Laserdiode zu steuern, sie aber nicht direkt ansteuern kann, so dass eine Gate-Treiberschaltung hinzugefügt werden muss. Außerdem muss das Design des Gatetreibers optimiert werden, um sicherzustellen, dass die Leistung des LiDAR-Systems für fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) der Society of Automotive Engineers (SAE) der Stufe 3 und höher geeignet ist.

Die Entwicklung eines leistungsstarken Treibers mit hoher Performance, der die Sicherheitsanforderungen der IEC 60825-1 erfüllt, unter Verwendung diskreter Komponenten ist komplex und zeitaufwändig, was die Kosten in die Höhe treiben und die Zeit bis zur Markteinführung verlängern kann. Um diese Herausforderungen zu meistern, können integrierte Highspeed-Gate-Treiber-ICs in Verbindung mit Galliumnitrid (GaN)-Leistungs-Feldeffekttransistoren (FETs) eingesetzt werden. Die Verwendung einer integrierten Lösung minimiert die Parasiten, die die Integrität des Treibersignals beeinträchtigen, insbesondere in der Hochstrom-Laserleistungsschleife, und ermöglicht die Platzierung des Hochstromtreibers in der Nähe der Leistungsschalter, wodurch die Auswirkungen des hochfrequenten Schaltrauschens minimiert werden.

Dieser Artikel bietet eine kurze Einführung in LiDAR. Es werden Anwendungen und Sicherheitsanforderungen erörtert, bevor auf die Herausforderungen bei der Entwicklung von LiDAR für Kraftfahrzeuge eingegangen wird, wobei der Schwerpunkt auf dem Hochstrom-Laserstromkreis liegt. Anschließend werden LiDAR-Lösungen von Efficient Power Conversion (EPC), Excelitas Technologies, ams OSRAM und Texas Instruments vorgestellt, darunter GaN-Leistungs-FETs, Gate-Treiber und Laserdioden, sowie Evaluierungsboards und Implementierungsanleitungen zur Beschleunigung des Entwicklungsprozesses.

Funktionsweise von LiDAR

LiDAR-Systeme messen die Laufzeit (Δt) eines Laserstrahlpulses, um die Entfernung zu einem Objekt zu berechnen (Abbildung 1). Die Entfernung (d) kann mit der Formel d = c * Δt/2 berechnet werden, wobei c die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist. Kurze Pulsdauern sind einer der Schlüssel zu LiDAR. Da die Lichtgeschwindigkeit etwa 30 Zentimeter pro ns (cm/ns) beträgt, hat ein LiDAR-Puls von 1 ns eine Länge von etwa 30 cm. Damit liegt die untere Grenze für die auflösbare Mindestgröße von Merkmalen bei etwa 15 cm. Daher müssen die LiDAR-Pulse auf wenige Nanosekunden begrenzt werden, um eine brauchbare Auflösung für Umgebungen im menschlichen Maßstab zu erreichen.

Abbildung 1: LiDAR verwendet ToF-Messungen, um Objekte zu erkennen und ihre Entfernung zu bestimmen. (Bildquelle: ams OSRAM)

Impulsbreite, Spitzenleistung, Wiederholfrequenz und Tastverhältnis sind die wichtigsten LiDAR-Spezifikationen. Eine typische Laserdiode, die in einem LiDAR-System verwendet wird, kann beispielsweise eine Pulsbreite von 100 ns oder weniger, eine Spitzenleistung von >100 Watt, eine Wiederholfrequenz von 1 Kilohertz (kHz) oder mehr und ein Tastverhältnis von 0,2 % haben. Je höher die Spitzenleistung, desto größer der Erfassungsbereich des LiDAR, aber die Wärmeabgabe ist hier ein Problem. Bei einer Pulsbreite von 100 ns wird das durchschnittliche Tastverhältnis in der Regel auf 0,1 % bis 0,2 % begrenzt, um eine Überhitzung des Lasers zu vermeiden. Kürzere Pulsbreiten tragen ebenfalls zur Sicherheit von LiDAR bei.

Die IEC 60825-1 definiert die Lasersicherheit als maximal zulässige Exposition (MPE), d. h. die höchste Energiedichte oder Leistung einer Lichtquelle mit vernachlässigbarem Potenzial, Augenschäden zu verursachen. Um vernachlässigbar zu sein, ist der MPE-Leistungspegel auf etwa 10 % der Energiedichte begrenzt, die mit 50 % Wahrscheinlichkeit Augenschäden verursacht. Bei konstantem Leistungsniveau haben kürzere Pulsbreiten eine geringere durchschnittliche Energiedichte und sind sicherer.

Während eine einzige LiDAR-ToF-Messung die Entfernung zu einem Objekt bestimmen kann, können Tausende oder Millionen von LiDAR-ToF-Messungen verwendet werden, um eine dreidimensionale (3D) Punktwolke zu erstellen (Abbildung 2). Eine Punktwolke ist eine Sammlung von Datenpunkten, in der große Mengen von Informationen gespeichert sind, die als Komponenten bezeichnet werden. Jede Komponente enthält einen Wert, der ein Attribut beschreibt. Die Komponenten können x-, y- und z-Koordinaten sowie Informationen über die Intensität, die Farbe und die Zeit (zur Messung der Objektbewegung) enthalten. LiDAR-Punktwolken erstellen in Echtzeit ein 3D-Modell des Zielgebiets.

Abbildung 2: LiDAR-Systeme kombinieren eine große Anzahl von ToF-Messungen, um 3D-Punktwolken und Bilder eines Zielgebiets zu erstellen. (Bildquelle: EPC)

Verwendung von GaN-FETs zur Stromversorgung von LiDAR-Lasern

GaN-FETs schalten viel schneller als ihre Silizium-Gegenstücke, wodurch sie sich für LiDAR-Anwendungen eignen, die sehr schmale Pulsbreiten erfordern. Der EPC2252 von EPC ist beispielsweise ein nach AEC-Q101 für die Automobilindustrie qualifizierter 80-Volt-GaN-FET, der Stromimpulse von bis zu 75 Ampere (A) aufnehmen kann (Abbildung 3). Der EPC2252 hat einen maximalen Durchlasswiderstand (RDS_(on)) von 11 Milliohm (mΩ), eine maximale Gesamt-Gate-Ladung (Q_g) von 4,3 Nanocoulomb (nC) und eine Source-Drain-Erholungsladung (Q_RR) von Null.

Der IC wird als Kugelrasterarray in Chipgröße (DSBGA) geliefert. Das bedeutet, dass der passivierte Chip ohne weitere Verpackung direkt mit den Lotkugeln verbunden ist. Dadurch haben die DSBGA-Chips die gleiche Größe wie die Siliziumchips, wodurch ihr Formfaktor minimiert wird. In diesem Fall verwendet der EPC2252 eine 9-DSBGA-Implementierung mit einer Größe von 1,5 x 1,5 Millimetern (mm). Mit einem Wärmewiderstand von 8,3 °C pro Watt (˚C/W) von der Anschlussstelle bis zur Platine ist er für Systeme mit hoher Packungsdichte geeignet.

Abbildung 3: Der GaN-FET EPC2252 ist AEC-Q101-qualifiziert und eignet sich für die Ansteuerung von Laserdioden in LiDAR-Systemen in Fahrzeugen. (Bildquelle: EPC)

Das Entwicklungsboard EPC9179 von EPC kann für einen schnellen Start verwendet werden, indem sie den EPC2252 in LiDAR-Systemen mit Gesamtpulsdauern von 2 bis 3 ns einsetzen (Abbildung 4). Der EPC9179 enthält einen Gate-Treiber LMG1020 von Texas Instruments, der durch ein externes Signal oder einen Onboard-Schmalpulsgenerator (mit Sub-Nanosekunden-Präzision) gesteuert werden kann.

Abbildung 4: Die Abbildung zeigt das EPC9179-Demoboard für den EPC2252-GaN-FET und andere wichtige Komponenten. (Bildquelle: EPC)

Die Entwicklungsplatine wird mit einer Interposer-Platine EPC9989 geliefert, die aus abbrechbaren 5 x 5 mm Interposern besteht (Abbildung 5). Diese entsprechen den Montageflächen vieler gängiger oberflächenmontierbarer Laserdioden, wie SMD und MMCX, sowie den Mustern, die für die Aufnahme von HF-Steckern und einer Vielzahl anderer Lasten vorgesehen sind.

Abbildung 5: Das Interposer-Board EPC9989 bietet eine Reihe von Interposern, wie z. B. den oben rechts gezeigten SMD-Laser-Interposer, die zur Verwendung mit dem EPC9179-Demoboard abgebrochen werden können. (Bildquelle: EPC)

Der gepulste Laser TPGAD1S09H von Excelitas Technologies (Abbildung 6), der bei 905 Nanometern (nm) emittiert, kann mit dem Interposer-Board EPC9989 verwendet werden. Diese Laserdiode verwendet einen mehrschichtigen monolithischen Chip, der auf einem bleifreien Laminatträger montiert ist und eine hervorragende thermische Leistung mit einem Wellenlängen-Temperaturkoeffizienten (Δλ/ΔT) von 0,25 nm/°C bietet. Dieser Quantum-Well-Laser unterstützt Anstiegs- und Abfallzeiten von <1 ns mit einem geeigneten Treiber. Der TPGAD1S09H kann in oberflächenmontierten Anwendungen und in der Hybridintegration eingesetzt werden. Er kann Licht parallel oder senkrecht zur Montageebene ausstrahlen, und die Epoxidharzverkapselung ermöglicht eine kostengünstige Herstellung in hohen Stückzahlen.

Abbildung 6: Der gepulste Laser TPGAD1S09H erzeugt sehr hohe Pulsspitzen und kann Licht parallel oder senkrecht zur Montageebene emittieren. (Bildquelle: Excelitas)

Die SPL S1L90A_3 A01 von ams OSRAM (Abbildung 7) ist ein weiteres Beispiel für eine Laserdiode, die mit dem Interposer-Board EPC9989 verwendet werden kann. Dieses einkanalige 908nm-Lasermodul kann Pulse im Bereich von 1 bis 100 ns mit einer Spitzenleistung von 120 Watt liefern. Es unterstützt einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis +105°C mit einem Tastverhältnis von 0,2% und wird in einem kompakten QFN-Gehäuse mit den Abmessungen 2,0 x 2,3 x 0,69 mm geliefert.

Abbildung 7: Die Laserdiode SPL S1L90A_3 A01 erzeugt Pulse im Bereich von 1 bis 100 ns und kann mit dem Interposer-Board EPC9989 verwendet werden. (Bildquelle: ams OSRAM)

Für LiDAR-Systeme, die extrem schmale Pulsbreiten benötigen, kann der LMG1025-Q1 von Texas Instruments verwendet werden. Dabei handelt es sich um einen einkanaligen Low-Side-Gate-Treiber mit einer Ausgangspulsbreite von 1,25 ns, der leistungsstarke LiDAR-Systeme ermöglicht, die den Sicherheitsanforderungen der IEC 60825-1 Klasse 1 entsprechen. Die schmale Pulsbreite, das schnelle Schalten und die Pulsverzerrung von 300 Picosekunden (ps) ermöglichen präzise LiDAR-ToF-Messungen über eine große Reichweite.

Eine Laufzeitverzögerung von 2,9 ns verbessert die Reaktionszeit der Regelschleife, und das 2 x 2 mm große QFN-Gehäuse minimiert die parasitäre Induktivität und unterstützt das Schalten mit hohen Strömen und geringem Klingeln in Hochfrequenz-LiDAR-Ansteuerschaltungen. Das LMG1025-Q1EVM ist ein Evaluierungsmodul für den LMG1025-Q1, das über einen Platz für eine ohmsche Last verfügt, um eine typische Laserdiode darzustellen, oder um eine Laserdiode nach der Abstimmung des Treiberpulses mit einer ohmschen Last zu montieren (Abbildung 8).

Abbildung 8: Das Demoboard LMG1025-Q1EVM kann eine ohmsche Last aufnehmen, die eine typische Laserdiode für die Ersteinrichtung darstellt. (Bildquelle: Texas Instruments)

Fazit

Es ist eine konstante Herausforderung, Kfz-LiDAR-Systeme zu entwickeln, die Echtzeit-ToF-Messungen mit einer Auflösung im Zentimeterbereich liefern und die Sicherheitsanforderungen der Klasse 1 gemäß IEC 60825-1 erfüllen. Wie gezeigt, können GaN-FETs mit einer Vielzahl von Laserdioden verwendet werden, um die Nanosekunden-Pulsbreiten und hohen Spitzenleistungen zu erzeugen, die für Hochleistungs-LiDAR in Fahrzeugen benötigt werden.

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