Comprendere il ruolo di driver, interruttori e diodi laser per prestazioni LiDAR efficaci

I sistemi di rilevamento e telemetria tramite onde luminose (LiDAR) sono diventati il metodo preferito per consentire a un'automobile, a un veicolo a guida automatica (AGV) o persino a un robot aspirapolvere di "vedere" l'ambiente circostante. Anche i droni e gli aerei utilizzano il LiDAR per navigare e mappare il terreno su distanze maggiori.

Sebbene il LiDAR sia stato ben studiato, i progettisti devono prestare molta attenzione nella scelta di componenti chiave come il gate driver, il FET di commutazione del gate e il diodo laser necessari per creare gli impulsi ottici.

Questo articolo fornisce una panoramica del LiDAR e presenta alcuni esempi di componenti elettro-ottici critici, mostrando come lavorano insieme per generare gli impulsi necessari.

Principi di funzionamento LiDAR

Il LiDAR funziona inviando un flusso continuo di impulsi ottici brevi e di moderata potenza e catturandone la riflessione. Misura il tempo di volo (ToF) per creare una nuvola di punti dell'ambiente circostante in una prospettiva tridimensionale (3D) (Figura 1). Molti sistemi utilizzano una matrice di diodi laser per ottenere una copertura più ampia.

Figura 1: L'approccio LiDAR crea una nuvola di punti che fornisce un rendering 3D dell'ambiente circostante. (Immagine per gentile concessione di Blickfeld GmbH)

L'applicazione determina le prestazioni di un sistema LiDAR. Un sistema utilizzato per un robot aspirapolvere che si muove lentamente in un'area limitata o per un AGV ha requisiti di portata e risoluzione angolare molto meno severi rispetto a un sistema utilizzato in un'automobile, che deve affrontare velocità elevate e rispondere a veicoli, ciclisti o pedoni presenti sul percorso. I numeri spesso citati come obiettivi prestazionali massimi per le applicazioni automotive sono un campo effettivo di funzionamento compreso tra 100 e 200 m e una risoluzione angolare di 0,1°.

Un galvanometro elettromeccanico a due assi scansiona i lampi laser attraverso l'area dell'immagine per generare una nuvola di punti precisa. Poiché il sistema LiDAR misura il ToF per ogni impulso emesso e il relativo ritorno, può creare un'immagine 3D con la prospettiva di profondità necessaria ai veicoli per navigare con precisione nell'ambiente circostante.

Il percorso elettro-ottico alla base del LiDAR

Un sistema LiDAR completo, come quello utilizzato in un AGV, richiede una serie di blocchi ottici, analogici, processori e meccanici interconnessi. Il cuore del sistema è il percorso elettro-ottico, che comprende una sorgente ottica basata sul laser e un ricevitore ottico co-localizzato (Figura 2).

Figura 2: Il percorso del segnale elettro-ottico e i componenti associati sono alla base di un sistema LiDAR (lato destro, riga centrale). (Immagine per gentile concessione di ROHM)

Il percorso del segnale della sorgente che crea il flusso di impulsi ottici è controllato da un'unità microcontroller (MCU) dedicata, che determina la frequenza e la larghezza di ripetizione degli impulsi ottici desiderati. Il percorso della sorgente presenta tre elementi funzionali fondamentali:

• Il gate driver fornisce impulsi ad alta velocità con tempi di salita e discesa rapidi per attivare e disattivare l'interruttore del gate.
• Il FET di commutazione del gate si accende e si spegne in modo preciso per controllare il flusso di corrente del diodo laser.
• Il diodo laser crea impulsi ottici indipendenti e non sovrapposti alla lunghezza d'onda richiesta.

La selezione e l'integrazione di questi componenti richiede la comprensione degli aspetti elettrici e delle caratteristiche ottiche, come il campo visivo, la potenza del diodo laser, la sensibilità angolare della lunghezza d'onda e il rapporto segnale/rumore (SNR) ottico. Avanzati algoritmi software possono superare alcune limitazioni nei percorsi del segnale elettro-ottico e le sfide nell'ambiente rilevato. Tuttavia, è prudente scegliere componenti ottimizzati per il LiDAR anziché presumere che questi algoritmi possano compensare le lacune.

Un'occhiata a un componente rappresentativo per ciascuna di queste funzioni illustra come i dispositivi ottimizzati per LiDAR affrontano le numerose sfide:

Il gate driver

BD2311NVX-LBE2 di ROHM Semiconductor (Figura 3) è un gate driver GaN a canale singolo ultraveloce, adatto per applicazioni industriali come gli AGV. Fornisce la combinazione necessaria di corrente e tensione di pilotaggio. Il dispositivo è fornito in un contenitore a 6 pin di soli 2,0 × 2,0 × 0,6 mm e può erogare fino a 5,4 A di corrente di uscita con una tensione di alimentazione compresa tra 4,5 V e 5,5 V.

Figura 3: Il gate driver a canale singolo BD2311NVX-LBE2 fornisce la combinazione necessaria di corrente e tensione di pilotaggio per controllare con precisione un commutatore di gate LiDAR. (Immagine per gentile concessione di ROHM)

BD2311NVX-LBE2 può pilotare transistor GaN ad alta mobilità elettronica (HEMT) e altri dispositivi di commutazione con impulsi di uscita stretti, contribuendo così al lungo raggio d'azione e all'elevata precisione del LiDAR. Questi parametri relativi agli impulsi includono una larghezza minima dell'impulso di ingresso di 1,25 ns, un tempo di salita tipico di 0,65 ns e un tempo di discesa tipico di 0,70 ns, il tutto con un carico di soli 220 pF. I tempi di ritardo di accensione e spegnimento sono rispettivamente di 3,4 ns e 3,0 ns.

Il FET di commutazione del gate

L'uscita del gate driver si collega all'ingresso di controllo del dispositivo di commutazione a controllo di corrente. Questo dispositivo deve passare rapidamente dallo stato di accensione a quello di spegnimento secondo le indicazioni del gate driver e deve gestire valori di corrente relativamente elevati, in genere compresi tra 50 A e 100 A.

Il livello di prestazioni richiesto è disponibile utilizzando dispositivi come EPC2252 di EPC, un transistor di potenza GaN a canale N e modalità potenziata qualificato per il settore automotive (AEC-Q101). È caratterizzato da una mobilità degli elettroni eccezionalmente elevata e da un basso coefficiente di temperatura per una bassissima resistenza nello stato On (RDSon), mentre la struttura laterale del dispositivo e il diodo portante maggioritario garantiscono una carica totale del gate (Q_G) eccezionalmente bassa e una carica di recupero source-drain (Q_RR) pari a zero. Il risultato è un dispositivo in grado di gestire attività in cui sono vantaggiose una frequenza di commutazione molto elevata e un basso tempo di servizio, nonché quelle in cui prevalgono le perdite nello stato On.

La tensione di drain-source (V_DS) di 80 V di EPC2252, la RDSon di 11 mΩ (massima) e la corrente di drain continua (I_D) di 8,2 A non dicono tutto. È un dispositivo facile da usare, richiede un pilotaggio del gate in stato On di soli 5 V, 0 V per lo stato off e non necessita di una tensione negativa. Questo semplifica le considerazioni sul driver e sul rail di alimentazione.

Grazie al suo design e alla disposizione del die, il commutatore di gate può gestire una I_D di 75 A (T_PULSE di 10 µs) ed è confezionato in un die passivato di 1,5 × 1,5 mm con nove bump di saldatura di contatto (Figura 4). Le correnti parassite ridotte del contenitore e del die, come la capacità di ingresso (C_ISS) di 440 pF (tipica), supportano le prestazioni degli impulsi ad alta velocità con transizioni rapide.

Figura 4: Il transistor di potenza GaN EPC2252 fornisce la commutazione di corrente necessaria per i diodi laser ad alta corrente in un contenitore di 1,5 × 1,5 mm. (Immagine per gentile concessione di EPC)

Il diodo laser

È il componente finale del percorso ottico e funge da trasduttore elettro-ottico. A differenza delle telecamere, che sono dispositivi passivi, i diodi laser sono sorgenti attive ed emettono radiazioni ottiche, che in alcune condizioni sono considerate dannose per l'uomo. L'intensità massima consentita è definita da norme come EN 60825-1:2014, "Sicurezza dei prodotti laser".

Il grado di sicurezza di un sistema LiDAR dipende dalla potenza, dall'angolo di divergenza, dalla durata dell'impulso, dalla direzione di esposizione e dalla lunghezza d'onda. La maggior parte dei sistemi utilizza una lunghezza d'onda di 905 nm o 1550 nm, ognuna delle quali offre un'efficienza accettabile e una compatibilità di lunghezza d'onda tra il laser e un fotodiodo adatto. In generale, un laser a 1550 nm può emettere in modo sicuro una potenza superiore a quella di un laser a 905 nm prima di essere considerato non sicuro. Tuttavia, i laser a 905 nm sono più diffusi, perché più economici.

Con una lunghezza d'onda di 905 nm, RLD90QZW3-00A di ROHM è un diodo laser pulsato ottimizzato per applicazioni LiDAR. Supporta una potenza di 75 W a una corrente diretta (I_F) di 23 A e offre prestazioni superiori in tre parametri: ampiezza del fascio (divergenza), strettezza della lunghezza d'onda del fascio e stabilità del fascio.

La divergenza del fascio definisce la diffusione del fascio dovuta alla diffrazione. RLD90QZW3-00A specifica valori tipici di 25° nel piano perpendicolare (θ_⊥) e 12° nel piano parallelo (θ_//) (Figura 5). La stabilità termica di uscita del laser è di 0,15 nm/°C.

Figura 5: Il diodo laser pulsato RLD90QZW3-00A ha valori tipici di divergenza del fascio di 25° nel piano perpendicolare (a sinistra) e di 12° nel piano parallelo (a destra). (Immagine per gentile concessione di ROHM)

L'ampiezza ridotta dell'emissione luminosa e la stabilità della lunghezza d'onda di uscita di questo diodo laser sono fondamentali per migliorare le prestazioni del sistema, in quanto consentono l'uso di filtri ottici passa banda a lunghezza d'onda stretta. ROHM afferma che l'intervallo di 225 μ ) di questo diodo è del 22% più piccolo rispetto ai dispositivi della concorrenza, supportando così una risoluzione più elevata e un intervallo di rilevamento più ampio con un'elevata nitidezza del fascio, un'emissività ridotta e un'alta densità ottica.

Questi due fattori migliorano l'SNR ottico, per un rilevamento e una valutazione accurati di oggetti a grande distanza. Un'immagine comparativa della nuvola di punti mostra l'impatto positivo di queste specifiche strette e stabili sulla risoluzione (Figura 6).

Figura 6: La stabilità e l'uniformità dell'uscita del diodo laser pulsato RLD90QZW3-00A consentono di migliorare l'SNR e la risoluzione della nuvola di punti. (Immagine per gentile concessione di ROHM)

Conclusione

Il LiDAR è ampiamente utilizzato per acquisire prospettive 3D dell'ambiente circostante e mappare i terreni. Il cuore di un sistema LiDAR è costituito dai componenti elettronici ed elettro-ottici che integrano le complesse funzionalità necessarie per un sistema efficiente. Per le funzioni di sorgente ottica, il gate driver, il FET di commutazione del gate e il diodo laser devono essere compatibili in termini di tensione, corrente, velocità e stabilità al fine di garantire prestazioni ottimali.

Contenuti correlati al LiDAR

• Garantire la precisione di un sensore di distanza LiDAR automotive con il giusto TIA
• Saper come funziona LiDAR dimostra l'importanza di un'attenta selezione di TIA e comparatore
• Semplificare le misurazioni della distanza in tempo di volo
• Sviluppare rapidamente applicazioni per il tempo di volo 3D
• Guida rapida ai FET GaN per LiDAR nei veicoli autonomi
• I convertitori tempo-digitale integrati semplificano i progetti di telemetria in base al tempo di volo