Guida rapida ai FET GaN per LiDAR nei veicoli autonomi

Le applicazioni di rilevamento e telemetria tramite onde luminose (LiDAR) comprendono veicoli autonomi, droni, automazione dei magazzini e agricoltura di precisione. Nella maggior parte di queste applicazioni sono presenti persone, il che fa temere che il laser LiDAR possa causare danni agli occhi. Per evitare lesioni, i sistemi LiDAR automotive devono soddisfare i requisiti di sicurezza IEC 60825-1 Classe 1, pur trasmettendo fino a 200 W.

La soluzione generale è di utilizzare un impulso da 1 a 2 ns con una frequenza di ripetizione da 1 a 2 MHz. Si tratta di una sfida, poiché ciò richiede un microcontroller o un altro circuito integrato (CI) digitale di grandi dimensioni per controllare il diodo laser, che però non può pilotarlo direttamente e quindi si deve aggiungere un circuito gate driver. Inoltre, il progetto del gate driver deve essere ottimizzato per garantire che le prestazioni del sistema LiDAR siano adatte ai sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) di livello 3 e superiore della Society of Automotive Engineers (SAE).

La progettazione di un gate driver ad alta potenza e ad alte prestazioni che soddisfi i requisiti di sicurezza IEC 60825-1 utilizzando componenti discreti è complessa e richiede tempo, con un potenziale aumento dei costi e un allungamento del time-to-market. Per affrontare queste sfide, i progettisti possono optare per gate driver in CI ad alta velocità abbinati a transistor di potenza a effetto di campo (FET) al nitruro di gallio (GaN). L'uso di una soluzione integrata riduce al minimo le correnti parassite che compromettono l'integrità del segnale di pilotaggio, in particolare nel circuito di alimentazione del laser ad alta corrente, e consente di collocare il driver ad alta corrente vicino agli interruttori di alimentazione, riducendo al minimo l'effetto del rumore di commutazione ad alta frequenza.

Questo articolo fornisce una breve introduzione al LiDAR. Illustra le applicazioni e i requisiti di sicurezza prima di passare in rassegna le sfide della progettazione di LiDAR in campo automotive, concentrandosi sul circuito di alimentazione del laser ad alta corrente. Presenta poi alcune soluzioni LiDAR di Efficient Power Conversion (EPC), Excelitas Technologies, ams OSRAM e Texas Instruments, tra cui FET di potenza GaN, gate driver e diodi laser, oltre a schede di valutazione e guide all'implementazione per accelerare lo sviluppo.

Principi di funzionamento LiDAR

I sistemi LiDAR misurano il tempo di volo (ToF) di andata e ritorno (Δt) di un impulso laser per calcolare la distanza da un oggetto (Figura 1). La distanza (d) può essere calcolata con la formula d = c * Δt/2, dove c è la velocità della luce nell'aria. Le brevi durate degli impulsi sono uno dei fattori chiave del LiDAR. Dato che la velocità della luce è di circa 30 cm/ns, un impulso LiDAR di 1 ns ha una lunghezza di circa 30 cm. Questo impone un limite inferiore di circa 15 cm alla dimensione minima dell'elemento che può essere risolto. Di conseguenza, gli impulsi LiDAR devono essere limitati a pochi nanosecondi per avere una risoluzione utile per gli ambienti su scala umana.

Figura 1: Il LiDAR utilizza misurazioni ToF per rilevare gli oggetti e determinarne la distanza. (Immagine per gentile concessione di ams OSRAM)

La larghezza dell'impulso, la potenza di picco, la frequenza di ripetizione e il ciclo di lavoro sono le specifiche principali del LiDAR. Ad esempio, un tipico diodo laser utilizzato in un sistema LiDAR può avere una larghezza di impulso di 100 ns o inferiore, una potenza di picco di >100 W, una frequenza di ripetizione di 1 kHz o superiore e un ciclo di lavoro dello 0,2%. Maggiore è la potenza di picco, più lungo è il raggio di rilevamento del LiDAR, ma a discapito della dissipazione termica. Per una larghezza di impulso di 100 ns, il ciclo di lavoro medio è solitamente limitato allo 0,1%-0,2% per evitare il surriscaldamento del laser. Anche le larghezze di impulso più brevi contribuiscono alla sicurezza del LiDAR.

La norma IEC 60825-1 definisce la sicurezza dei laser in termini di esposizione massima consentita (MPE), ovvero la massima densità di energia o di potenza di una sorgente luminosa con un potenziale trascurabile di causare danni agli occhi. Per essere trascurabile, il livello di potenza MPE è limitato a circa il 10% della densità di energia, che ha il 50% di possibilità di causare danni agli occhi. Con un livello di potenza costante, le larghezze di impulso minori hanno una densità di energia media inferiore e sono più sicure.

Mentre una singola misurazione ToF LiDAR può determinare la distanza da un oggetto, si possono utilizzare migliaia o milioni di misurazioni ToF LiDAR per creare una nuvola di punti tridimensionale (Figura 2). Una nuvola di punti è una raccolta di punti di dati che registrano grandi quantità di informazioni, chiamate componenti. Ogni componente contiene un valore che descrive un attributo. Le componenti possono includere coordinate x, y e z e informazioni sull'intensità, sul colore e sul tempo (per misurare il movimento dell'oggetto). Le nuvole di punti LiDAR creano un modello 3D in tempo reale dell'area bersaglio.

Figura 2: I sistemi LiDAR combinano un gran numero di misurazioni ToF per creare nuvole di punti e immagini 3D di un'area bersaglio. (Immagine per gentile concessione di EPC)

Utilizzare i FET GaN per alimentare i laser LiDAR

I FET GaN commutano molto più velocemente delle loro controparti in silicio, per questo sono adatti alle applicazioni LiDAR che richiedono larghezze di impulso molto strette. Ad esempio, EPC2252 di EPC è un FET GaN da 80 V qualificato AEC-Q101 per il settore automotive, capace di impulsi di corrente fino a 75 A (Figura 3). EPC2252 ha una resistenza nello stato On (RDSon) massima di 11 mΩ, una carica del gate totale massima (Q_g) di 4,3 nC e una carica di recupero source-drain (Q_RR) pari a zero.

Il CI viene fornito come un die-size BGA (DSBGA). Ciò significa che i die passivato è fissato direttamente alle sfere di saldatura senza altro confezionamento. Di conseguenza, i chip DSBGA hanno le stesse dimensioni del die di silicio, riducendone al minimo il fattore di forma. In questo caso, EPC2252 utilizza un'implementazione 9-DSBGA di 1,5 x 1,5 mm. Ha una resistenza termica di 8,3 °C/W dalla giunzione alla scheda, che lo rende adatto per sistemi ad alta densità.

Figura 3: Il FET GaN EPC2252 è qualificato AEC-Q101 ed è adatto a pilotare i diodi laser nei sistemi LiDAR automotive. (Immagine per gentile concessione di EPC)

I progettisti possono utilizzare la scheda di sviluppo EPC9179 di EPC per iniziare rapidamente a utilizzare EPC2252 in sistemi LiDAR con larghezze di impulso totali di 2 - 3 ns (Figura 4). EPC9179 include un gate driver LMG1020 di Texas Instruments che può essere controllato da un segnale esterno o da un generatore di impulsi stretti integrato (con precisione sotto il nanosecondo).

Figura 4: La scheda dimostrativa EPC9179 mostra il FET GaN EPC2252 e altri componenti chiave. (Immagine per gentile concessione di EPC)

La scheda di sviluppo è dotata di una scheda di interposizione EPC9989 composta da interpositori a distacco di 5 x 5 mm (Figura 5). Questi corrispondono agli ingombri di molti comuni diodi laser a montaggio superficiale, come SMD e MMCX, nonché agli schemi progettati per ospitare connettori RF e un'ampia varietà di altri carichi.

Figura 5: La scheda di interposizione EPC9989 offre una serie di interpositori, come quello laser SMD mostrato in alto a destra, che possono essere distaccati per l'uso con la scheda dimostrativa EPC9179. (Immagine per gentile concessione di EPC)

Il laser a impulsi TPGAD1S09H di Excelitas Technologies (Figura 6), con emissione a 905 nm, è ideale per l'uso con la scheda di interposizione EPC9989. Questo diodo laser utilizza un chip monolitico multistrato montato su un supporto laminato senza conduttori per fornire prestazioni termiche eccellenti con un coefficiente termico della lunghezza d'onda (Δλ/ΔT) di 0,25 nm/°C. Con un driver appropriato, questo laser in pozzetto quantico supporta tempi di salita e discesa di <1 ns. TPGAD1S09H può essere utilizzato in applicazioni a montaggio superficiale e in integrazione ibrida. Può emettere luce in direzione parallela o perpendicolare al piano di montaggio e l'incapsulamento in resina epossidica consente una produzione a basso costo e in grandi volumi.

Figura 6: Il laser a impulsi TPGAD1S09H produce impulsi di picco molto elevati e può emettere luce parallela o perpendicolare al piano di montaggio. (Immagine per gentile concessione di Excelitas)

SPL S1L90A_3 A01 di ams OSRAM (Figura 7) è un altro esempio di diodo laser utilizzabile con la scheda di interposizione EPC9989. Questo modulo laser a canale singolo da 908 nm può erogare impulsi da 1 a 100 ns con una potenza di uscita di picco di 120 W. Supporta un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -40 e +105 °C con un ciclo di lavoro dello 0,2% ed è offerto in un contenitore QFN compatto di 2,0 x 2,3 x 0,69 mm.

Figura 7: Il diodo laser SPL S1L90A_3 A01 produce impulsi da 1 a 100 ns e può essere utilizzato con la scheda di interposizione EPC9989. (Immagine per gentile concessione di ams OSRAM)

Per i sistemi LiDAR che richiedono larghezze di impulso estremamente strette, i progettisti possono optare per LMG1025-Q1 di Texas Instruments, un gate driver a canale singolo e low-side con una larghezza di impulso in uscita di 1,25 ns adatto per realizzare potenti sistemi LiDAR conformi ai requisiti di sicurezza IEC 60825-1 Classe 1. La capacità di una larghezza di impulso stretta, la commutazione rapida e la distorsione di impulso di 300 ps consentono di effettuare misurazioni ToF LiDAR precise a lungo raggio.

Il ritardo di propagazione di 2,9 ns migliora il tempo di risposta dell'anello di controllo e il contenitore QFN di 2 x 2 mm riduce al minimo l'induttanza parassita, supportando la commutazione ad alta corrente e a bassa frequenza nei circuiti di pilotaggio LiDAR ad alta frequenza. LMG1025-Q1EVM è un modulo di valutazione per LMG1025-Q1, può ospitare un carico resistivo per rappresentare un tipico diodo laser o per il montaggio di un diodo laser dopo l'accordo dell'impulso di pilotaggio con un carico resistivo (Figura 8).

Figura 8: La scheda dimostrativa LMG1025-Q1EVM può ospitare un carico resistivo per rappresentare un tipico diodo laser per la configurazione iniziale. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Conclusione

I progettisti sono sempre più spinti a sviluppare sistemi LiDAR automotive in grado di fornire misurazioni ToF in tempo reale con risoluzione centimetrica e conformi ai requisiti di sicurezza IEC 60825-1 Classe 1. Come mostrato, i FET GaN possono essere utilizzati con una varietà di diodi laser per generare le larghezze di impulso in nanosecondi e gli elevati livelli di potenza di picco necessari nei sistemi LiDAR automotive ad alte prestazioni.

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