De rol van drivers, schakelaars en laserdiodes begrijpen voor effectieve LiDAR-prestaties

LiDAR-systemen (Light Detection and ranging) zijn de methode bij uitstek geworden om een auto, een automatisch geleid voertuig (AGV) of zelfs een robotstofzuiger in staat te stellen zijn omgeving te "zien". Drones en hoger vliegende vliegtuigen gebruiken LiDAR ook om te navigeren en het terrein op grotere afstanden in kaart te brengen.

Hoewel LiDAR goed bestudeerd is, moeten ontwerpers grote zorgvuldigheid betrachten bij het selecteren van belangrijke componenten zoals de gatedriver, de gateschakelaar FET en de laserdiode die nodig zijn om de optische pulsen te creëren.

Dit artikel geeft een overzicht van LiDAR. Vervolgens worden voorbeelden gegeven van de cruciale elektro-optische componenten en wordt getoond hoe ze samenwerken om de benodigde pulsen te genereren.

Hoe LiDAR werkt

LiDAR zendt een continue stroom van korte optische pulsen met een gemiddeld vermogen uit en vangt vervolgens de weerkaatsingen daarvan op. Het meet time-of-flight (ToF) om een puntenwolk van de omgeving te maken die een driedimensionaal (3D) perspectief biedt (Afbeelding 1). Veel systemen gebruiken meerdere laserdiodes in een matrix voor een groter dekkingsgebied.

Afbeelding 1: De LiDAR-methode creëert een puntenwolk die een 3D-weergave van de omgeving geeft. (Bron afbeelding: Blickfeld GmbH)

De toepassing bepaalt de prestaties van een LiDAR-systeem. Een systeem dat wordt gebruikt voor een langzaam bewegende robotstofzuiger met een beperkt gebied of een AGV heeft veel lossere eisen wat betreft bereik en hoekresolutie dan een systeem dat wordt gebruikt in een auto, die te maken heeft met hogere snelheden en moet reageren op voertuigen, fietsers of voetgangers. De cijfers die vaak worden genoemd als hoogste prestatiedoelstellingen voor automobieltoepassingen zijn een effectief bereik van 100 m tot 200 m en een hoekresolutie van 0,1°.

Een elektromechanische galvanometer met twee assen scant de laserflitsen over het beeldgebied om een nauwkeurige puntenwolk te verkrijgen. Aangezien het LiDAR-systeem de ToF meet voor elke uitgezonden puls en de bijbehorende terugkeer, kan het een 3D-beeld creëren met het diepteperspectief dat nodig is voor voertuigen om nauwkeurig door hun omgeving te navigeren.

Het elektro-optische pad in de kern van LiDAR

Een compleet LiDAR-systeem, zoals gebruikt in een AGV, vereist een diverse set van onderling verbonden optische, analoge, processor en mechanische blokken. De kern van het systeem is het elektro-optische pad, dat bestaat uit een optische laserbron en een optische ontvanger op dezelfde locatie (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Het elektro-optische signaalpad en de bijbehorende componenten vormen het hart van een LiDAR-systeem (rechterzijde, middelste rij). (Bron afbeelding: ROHM)

Het signaalpad van de bron die de stroom optische pulsen creëert, wordt bestuurd door een speciale microcontrollerunit (MCU), die de gewenste optische pulsherhalingssnelheid en -breedte bepaalt. Het bronpad heeft drie belangrijke functionele elementen:

• De gatedriver levert snelle pulsen met snelle stijg- en daaltijden om de gateschakelaar aan en uit te zetten.
• De gateschakelaar FET schakelt helder aan en uit om de stroomtoevoer van de laserdiode te regelen.
• De laserdiode creëert onafhankelijke, niet-overlappende optische pulsen op de vereiste golflengte.

Het selecteren en integreren van deze componenten vereist inzicht in elektrische aspecten, maar ook in optische kenmerken zoals gezichtsveld, vermogen van de laserdiode, hoekgevoeligheid van de golflengte en optische signaal-ruisverhouding (SNR). Geavanceerde softwarealgoritmen kunnen enkele beperkingen in de elektro-optische signaalpaden en uitdagingen in de gedetecteerde omgeving overwinnen. Het is echter verstandig om componenten te kiezen die geoptimaliseerd zijn voor LiDAR in plaats van aan te nemen dat deze algoritmen tekortkomingen kunnen compenseren.

Een blik op een representatief onderdeel voor elk van deze functies illustreert hoe voor LiDAR geoptimaliseerde apparaten de vele uitdagingen aanpakken:

De gatedriver

De ROHM Semiconductor BD2311NVX-LBE2 (Afbeelding 3) is een enkelkanaals, ultrasnelle GaN-gatedriver die zeer geschikt is voor industriële toepassingen zoals AGV's. Het levert de noodzakelijke combinatie van aandrijfstroom en spanning. Het wordt geleverd in een 6-pins behuizing van slechts 2,0 mm × 2,0 mm × 0,6 mm en kan tot 5,4 A uitgangsstroom leveren met een voedingsspanningsbereik van 4,5 V tot 5,5 V.

Afbeelding 3: De BD2311NVX-LBE2 eenkanaals gatedriver levert de noodzakelijke combinatie van aandrijfstroom en spanning om een LiDAR-gateschakelaar nauwkeurig aan te sturen. (Bron afbeelding: ROHM)

De BD2311NVX-LBE2 kan GaN-transistors met hoge elektronenmobiliteit (HEMT's) en andere schakelapparaten aansturen met smalle uitvoerpulsen, wat bijdraagt aan het grote bereik en de hoge nauwkeurigheid van LiDAR. Deze pulsgerelateerde parameters omvatten een minimale ingangspulsbreedte van 1,25 nanoseconden (ns), een typische stijgtijd van 0,65 ns en een typische daaltijd van 0,70 ns, dit alles met een 220 picofarad (pF) belasting. De in- en uitschakelvertragingstijden zijn respectievelijk 3,4 ns en 3,0 ns.

De gateschakelaar FET

De uitgang van de gatedriver wordt verbonden met de stuuringang van de stroomstuurschakelaar. Dit apparaat moet snel schakelen tussen aan- en uit-standen zoals gestuurd door de gate-driver en relatief grote stroomwaarden verwerken, meestal 50 A tot 100 A.

Het vereiste prestatieniveau is beschikbaar met apparaten zoals EPC's EPC2252, een voor auto's gekwalificeerde (AEC-Q101) N-kanaal, versterkingsmodus GaN-vermogenstransistor. Het beschikt over een uitzonderlijk hoge elektronenmobiliteit en een lage temperatuurcoëfficiënt voor een zeer lage inschakelweerstand (R_DS(ON)), terwijl de laterale structuur van het apparaat en de diode met meerderheidsdragers zorgen voor een uitzonderlijk lage totale poortlading (Q_G) en nul bron-drain terugwinningslading (Q_RR). Het resultaat is een apparaat dat taken aankan waarbij een zeer hoge schakelfrequentie en lage inschakelduur voordelig zijn en waarbij on-state verliezen domineren.

De 80 V drain-source spanning (V_DS), 11 milliohms (mΩ) (maximum) R_DS(ON) en continue drainstroom (I_D) van 8,2 A van de EPC2252 vertellen slechts een deel van het verhaal. Het is eenvoudig te gebruiken, vereist een on-state gatedrive van slechts 5 V, 0 V voor de off-state en heeft geen negatieve spanning nodig. Dit vereenvoudigt de overwegingen voor zowel de driver als de voedingsrail.

Door het ontwerp en de plaatsing van de matrijs kan de gateschakelaar een I_D van 75 A aan (T_PULSE van 10 microseconden (µs)) en is het verpakt als een gepassiveerde matrijs van 1,5 mm × 1,5 mm met negen soldeerhobbels (Afbeelding 4). Verminderde parasitics in de behuizing en de matrijs, zoals een ingangscapaciteit (C_ISS) van 440 pF (nominaal), ondersteunen de prestaties van hogesnelheidspulsen met snelle overgangen.

Afbeelding 4: De EPC2252 GaN-vermogenstransistor levert de benodigde stroomschakeling voor laserdiodes met hoge stroom in een behuizing van 1,5 × 1,5 mm. (Bron afbeelding: EPC)

De laserdiode

Dit is de laatste component in het optische pad en functioneert als een elektro-optische transductor. In tegenstelling tot camera's, die passieve apparaten zijn, zijn laserdiodes actieve bronnen en zenden ze optische straling uit, die onder bepaalde omstandigheden schadelijk wordt geacht voor menselijke ogen. De maximaal toegestane intensiteit wordt gedefinieerd door normen zoals EN 60825-1:2014, "Veiligheid van laserproducten".

De veiligheidsclassificatie van een LiDAR-systeem hangt af van het vermogen, de divergentiehoek, de pulsduur, de belichtingsrichting en de golflengte. De meeste systemen gebruiken een golflengte van 905 nanometer (nm) of 1550 nm, elk met een acceptabele efficiëntie en golflengtecompatibiliteit tussen de laser en een geschikte fotodiode. Over het algemeen kan een 1550 nm laser veilig meer vermogen uitstralen dan een 905 nm laser voordat het als onveilig wordt beschouwd. Lasers van 905 nm zijn echter populair omdat ze kosteneffectiever zijn.

Voor een golflengte van 905 nm is de ROHM RLD90QZW3-00A een gepulseerde laserdiode die geoptimaliseerd is voor LiDAR-toepassingen. Het ondersteunt een uitgangsvermogen van 75 W bij een voorwaartse stroom (I_F) van 23 A en levert superieure prestaties voor drie parameters: bundelbreedte (divergentie), bundelgolflengtevernauwing en bundelstabiliteit.

Stralingsdivergentie definieert de spreiding van de straal als gevolg van diffractie. De RLD90QZW3-00A specificeert typische waarden van 25° in het loodrechte vlak (θ_⊥) en 12° in het parallelle vlak (θ_//) (Afbeelding 5). De temperatuurstabiliteit van de laseruitgang is 0,15 nm per graad Celsius (nm/°C).

Afbeelding 5: De RLD90QZW3-00A gepulseerde laserdiode heeft typische bundeldivergentiewaarden van 25° in het loodrechte vlak (links) en 12° in het parallelle vlak (rechts). (Bron afbeelding: ROHM)

De smalle breedte van de lichtemissie en de stabiliteit van de uitgangsgolflengte van deze laserdiode zijn ook cruciaal voor betere systeemprestaties, omdat ze het gebruik van optische bandpassfilters met een smalle golflengte mogelijk maken. ROHM stelt dat het bereik van deze diode van 225 micrometer (μm) 22% kleiner is dan beschikbare concurrerende apparaten, waardoor een hogere resolutie en een breder detectiebereik met hoge bundelscherpte, smalle emissiviteit en hoge optische dichtheid mogelijk zijn.

Deze twee factoren verbeteren de optische SNR, waardoor objecten op grote afstand nauwkeurig kunnen worden waargenomen en beoordeeld. Een vergelijkend puntwolkbeeld toont de positieve invloed van deze strakke en stabiele specificaties op de resolutie (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De stabiliteit en consistentie van de output van de RLD90QZW3-00A gepulseerde laserdiode levert een verbeterde SNR en puntenwolkresolutie op. (Bron afbeelding: ROHM)

Conclusie

LiDAR wordt veel gebruikt om 3D-perspectieven van omgevingen vast te leggen en terreinen in kaart te brengen. De kern van het LiDAR systeem wordt gevormd door de elektronische en elektro-optische componenten die de complexe mogelijkheden integreren die nodig zijn voor een levensvatbaar systeem. Voor de optische bronfuncties moeten de gatedriver, gateschakelaar FET en laserdiode compatibel zijn met betrekking tot spanning, stroom, snelheid en stabiliteit om optimale prestaties te garanderen.

Gerelateerde LiDAR-inhoud

• Verzeker de nauwkeurigheid van de LiDAR automotive afstandsensor met de juiste TIA
• Inzicht in de werking van LiDAR toont het belang aan van zorgvuldige TIA- en vergelijkingsselectie
• Tijd-van-vlucht afstandsmetingen vereenvoudigen
• Snel aan de slag met 3D-time-of-flight-toepassingen
• Beknopte gids voor GaN FET's voor LiDAR in autonome voertuigen
• Geïntegreerde tijd-naar-digitaalconvertors vereenvoudigen ontwerpen voor afstandsbepaling op basis van vluchttijden