Guide rapide des FET GaN pour LiDAR dans les véhicules autonomes

Les applications de télédétection par laser (LiDAR) incluent les véhicules autonomes, les drones, l'automatisation des entrepôts et l'agriculture de précision. Dans la plupart de ces applications, l'homme est présent et il existe donc un risque de lésions oculaires dues à un laser LiDAR. Pour éviter les blessures, les systèmes LiDAR automobiles doivent répondre aux exigences de sécurité CEI 60825-1 de Classe 1 tout en émettant jusqu'à 200 watts (W).

La solution générale utilise une impulsion de 1 à 2 nanosecondes (ns) à un taux de répétition de 1 à 2 mégahertz (MHz). Cela constitue un défi car un microcontrôleur ou un autre grand circuit intégré numérique est nécessaire pour contrôler la diode laser, mais comme il ne peut pas la commander directement, un circuit d'attaque de grille doit être ajouté. En outre, la conception de ce circuit d'attaque de grille doit être optimisée pour garantir que les performances du système LiDAR sont adaptées aux systèmes d'aide à la conduite (ADAS) de niveaux 3 et supérieurs de la SAE (Society of Automotive Engineers).

La conception d'un circuit d'attaque de grille haute puissance et hautes performances répondant aux exigences de sécurité de la norme CEI 60825-1 à l'aide de composants discrets est complexe et prend du temps, ce qui peut potentiellement augmenter les coûts et allonger les délais de mise sur le marché. Pour relever ces défis, les concepteurs peuvent se tourner vers des circuits intégrés d'attaque de grille haute vitesse associés à des transistors à effet de champ (FET) de puissance au nitrure de gallium (GaN). L'utilisation d'une solution intégrée minimise les parasites qui dégradent l'intégrité du signal de commande, en particulier dans la boucle de puissance laser haute intensité, et permet de placer le circuit d'attaque à fort courant à proximité des commutateurs de puissance, minimisant ainsi l'effet du bruit de commutation haute fréquence.

Cet article fournit une brève présentation du LiDAR. Il aborde les applications et les exigences de sécurité avant de passer en revue les défis liés à la conception de systèmes LiDAR automobiles, en mettant l'accent sur la boucle de puissance laser haute intensité. Il présente ensuite des solutions LiDAR d'Efficient Power Conversion (EPC), d'Excelitas Technologies, d'ams OSRAM et de Texas Instruments, y compris des FET de puissance GaN, des circuits d'attaque de grille et des diodes laser, ainsi que des cartes d'évaluation et des conseils de mise en œuvre pour accélérer le processus de développement.

Fonctionnement du LiDAR

Les systèmes LiDAR mesurent le temps de vol (ToF) aller-retour (Δt) d'une impulsion de faisceau laser pour calculer la distance depuis un objet (Figure 1). La distance (d) peut être calculée à l'aide de la formule d = c * Δt/2, où c est la vitesse de la lumière dans l'air. Les courtes durées d'impulsion sont l'une des clés du LiDAR. Étant donné que la vitesse de la lumière est d'environ 30 centimètres par ns (cm/ns), une impulsion LiDAR de 1 ns a une longueur d'environ 30 cm. Cela impose une limite inférieure d'environ 15 cm au format d'élément minimum pouvant être résolu. Par conséquent, les impulsions LiDAR doivent être limitées à quelques nanosecondes pour avoir une résolution utile dans les environnements à échelle humaine.

Figure 1 : Le LiDAR utilise les mesures ToF pour détecter des objets et déterminer leur distance. (Source de l'image : ams OSRAM)

La largeur d'impulsion, la puissance de crête, la fréquence de répétition et le rapport cyclique sont les principales spécifications LiDAR. Par exemple, une diode laser typique utilisée dans un système LiDAR peut avoir une largeur d'impulsion de 100 ns ou moins, une puissance de crête > 100 W, une fréquence de répétition de 1 kilohertz (kHz) ou plus et un rapport cyclique de 0,2 %. Plus la puissance de crête est élevée, plus la portée de détection du LiDAR est grande, mais la dissipation thermique est un compromis. Pour une largeur d'impulsion de 100 ns, le rapport cyclique moyen est généralement limité entre 0,1 % et 0,2 % pour éviter une surchauffe du laser. Des largeurs d'impulsion plus courtes contribuent également à la sécurité du LiDAR.

La norme CEI 60825-1 définit la sécurité des lasers en termes d'exposition maximale permise (EMP), c'est-à-dire la densité d'énergie ou la puissance la plus élevée d'une source lumineuse avec un potentiel négligeable de causer des lésions oculaires. Pour être négligeable, le niveau de puissance EMP est limité à environ 10 % de la densité d'énergie, ce qui représente une probabilité de 50 % de provoquer des lésions oculaires. Avec un niveau de puissance constant, les largeurs d'impulsion plus courtes ont une densité d'énergie moyenne inférieure et sont plus sûres.

Tandis qu'une seule mesure ToF LiDAR peut déterminer la distance jusqu'à un objet, des milliers ou des millions de mesures ToF LiDAR peuvent être utilisées pour créer un nuage de points tridimensionnel (3D) (Figure 2). Un nuage de points est un ensemble de points de données stockant de grandes quantités d'informations appelées composantes. Chaque composante contient une valeur décrivant un attribut. Les composantes peuvent inclure des coordonnées x, y et z et des informations sur l'intensité, la couleur et le temps (pour mesurer le mouvement de l'objet). Les nuages de points LiDAR créent un modèle 3D en temps réel de la zone cible.

Figure 2 : Les systèmes LiDAR combinent un grand nombre de mesures ToF pour créer des nuages de points 3D et des images d'une zone cible. (Source de l'image : EPC)

Utilisation de FET GaN pour alimenter les lasers LiDAR

Les FET GaN commutent beaucoup plus rapidement que leurs homologues en silicium, ce qui les rend adaptés aux applications LiDAR nécessitant des largeurs d'impulsion très étroites. Par exemple, l'EPC2252 d'EPC est un FET GaN de 80 volts (V) qualifié automobile AEC-Q101, capable de générer des impulsions de courant jusqu'à 75 ampères (A) (Figure 3). L'EPC2252 a une résistance à l'état passant (RDS_(on)) de 11 milliohms (mΩ), une charge de grille (Q_g) totale maximum de 4,3 nanocoulombs (nC), et une charge de récupération source-drain (Q_RR) nulle.

Le circuit intégré est fourni sous la forme d'une matrice DSBGA. Cela signifie que la puce passivée est directement fixée aux billes de soudure sans aucun autre conditionnement. En conséquence, les puces DSBGA ont la même taille que la puce en silicium, minimisant ainsi leur facteur de forme. Ici, l'EPC2252 utilise une implémentation 9-DSBGA mesurant 1,5 millimètre (mm) x 1,5 mm. Il présente une résistance thermique de 8,3°C/W de la jonction à la carte, ce qui le rend adapté aux systèmes haute densité.

Figure 3 : Le FET GaN EPC2252 est qualifié AEC-Q101 et convient à la commande de diodes laser dans les systèmes LiDAR automobiles. (Source de l'image : EPC)

Les concepteurs peuvent utiliser la carte de développement EPC9179 d'EPC pour démarrer rapidement en employant l'EPC2252 dans les systèmes LiDAR avec des largeurs d'impulsion totales de 2 ns à 3 ns (Figure 4). L'EPC9179 inclut un circuit d'attaque de grille LMG1020 de Texas Instruments qui peut être contrôlé par un signal externe ou un générateur d'impulsions étroites intégré (avec une précision inférieure à la nanoseconde).

Figure 4 : Carte de démonstration EPC9179 pour le FET GaN EPC2252 et d'autres composants clés. (Source de l'image : EPC)

La carte de développement est fournie avec une carte d'interposeur EPC9989 comprenant des interposeurs détachables de 5 mm x 5 mm (Figure 5). Ceux-ci correspondent aux empreintes de montage de nombreuses diodes laser courantes à montage en surface, telles que CMS et MMCX, ainsi qu'aux modèles conçus pour accueillir des connecteurs RF et une grande variété d'autres charges.

Figure 5 : La carte d'interposeur EPC9989 fournit un ensemble d'interposeurs, tels que l'interposeur laser CMS illustré en haut à droite, qui peuvent être détachés pour être utilisés avec la carte de démonstration EPC9179. (Source de l'image : EPC)

Le laser pulsé TPGAD1S09H d'Excelitas Technologies (Figure 6), émettant à 905 nanomètres (nm), peut être utilisé avec la carte d'interposeur EPC9989. Cette diode laser utilise une puce monolithique multicouche montée sur un support stratifié à souder pour offrir d'excellentes performances thermiques avec un coefficient de température de longueur d'onde (Δλ/ΔT) de 0,25 nm/°C. Ce laser à puits quantique prend en charge des temps de montée et de descente < 1 ns avec un circuit d'attaque approprié. Le TPGAD1S09H peut être utilisé dans les applications à montage en surface et pour l'intégration hybride. Il peut émettre de la lumière parallèlement ou perpendiculairement au plan de montage, et l'encapsulation en résine époxy permet une fabrication à haut volume et à faible coût.

Figure 6 : Le laser pulsé TPGAD1S09H produit des impulsions de crête très élevées et peut émettre de la lumière parallèlement ou perpendiculairement au plan de montage. (Source de l'image : Excelitas)

Le SPL S1L90A_3 A01 d'ams OSRAM (Figure 7) est un autre exemple de diode laser pouvant être utilisée avec la carte d'interposeur EPC9989. Ce module laser de 908 nm à un canal peut délivrer des impulsions s'étendant de 1 ns à 100 ns avec une puissance de sortie de crête de 120 W. Il prend en charge une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +105°C avec un rapport cyclique de 0,2 %, et il est fourni en boîtier QFN compact mesurant 2,0 mm x 2,3 mm x 0,69 mm.

Figure 7 : La diode laser SPL S1L90A_3 A01 produit des impulsions s'étendant de 1 ns à 100 ns et peut être utilisée avec la carte d'interposeur EPC9989. (Source de l'image : ams OSRAM)

Pour les systèmes LiDAR exigeant des largeurs d'impulsion extrêmement étroites, les concepteurs peuvent se tourner vers le LMG1025-Q1 de Texas Instruments, un circuit d'attaque de grille bas potentiel à un canal avec une capacité de largeur d'impulsion de sortie de 1,25 ns qui permet de réaliser de puissants systèmes LiDAR répondant aux exigences de sécurité CEI 60825-1 de Classe 1. Sa capacité de largeur d'impulsion étroite, sa commutation rapide et sa distorsion d'impulsion de 300 picosecondes (ps) permettent des mesures ToF LiDAR précises sur une longue portée.

Un temps de propagation de 2,9 ns améliore le temps de réponse de la boucle de commande, et le boîtier QFN de 2 mm x 2 mm minimise l'inductance parasite, ce qui permet la commutation à fort courant et faible oscillation dans les circuits de commande LiDAR haute fréquence. Le LMG1025-Q1EVM est un module d'évaluation pour le LMG1025-Q1 qui permet d'accueillir une charge résistive pour représenter une diode laser typique, ou pour monter une diode laser après le réglage de l'impulsion de commande avec une charge résistive (Figure 8).

Figure 8 : La carte de démonstration LMG1025-Q1EVM peut accueillir une charge résistive représentant une diode laser typique pour la configuration initiale. (Source de l'image : Texas Instruments)

Conclusion

Les concepteurs sont de plus en plus confrontés au défi de développer des systèmes LiDAR automobiles fournissant des mesures ToF en temps réel avec une résolution de l'ordre du centimètre et répondant aux exigences de sécurité de Classe 1 de la norme CEI 60825-1. Comme illustré, des FET GaN peuvent être utilisés avec une variété de diodes laser pour produire les largeurs d'impulsion nanoseconde et les niveaux de puissance de crête élevés nécessaires dans les systèmes LiDAR automobiles hautes performances.

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