Gyorstalpaló útmutató az önvezető járművek lézerradarjaiba alkalmas GaN FET-ek használatához

A lézerradar felhasználási területei egyebek mellett az önvezető járművek, a drónok, a raktárautomatizálás és a precíziós mezőgazdaság. (Lézerradar: LiDAR vagy lidar, a rövidítés feloldására az angol Wikipedia két változatot is ad: light detection and ranging (fény segítségével történő észlelés és távolságmérés), illetve a működését pontosabban leíró laser imaging, detection, and ranging (lézeres képalkotás, észlelésés és távolságmérés). A magyarban a némileg félrevezető lézerradar megnevezés terjedt el a pontosabb lézerlokátor helyett, bár néha ez utóbbival is találkozni lehet.) A legtöbb ilyen felhasználási területen emberek is jelen vannak, ami néminemű aggodalomra ad okot, ugyanis a lézerradar lézere szemkárosodást okozhat. A sérülések elkerülése érdekében a gépjárműipari lézerradarrendszereknek meg kell felelniük az IEC 60825-1 szabvány 1. osztálya szerinti biztonsági követelményeknek, miközben akár 200 W teljesítménnyel is sugározhatnak.

Az elterjedt eszközök 1–2 ns hosszúságú impulzusokat használnak 1–2 MHz ismétlési frekvenciával. Ez kihívást jelent, mivel a lézerdióda vezérléséhez mikrovezérlőre vagy más nagy méretű digitális integrált áramkörre (IC) van szükség, de ezek nem képesek közvetlenül vezérelni a lézerdiódát, ezért egy kapuvezérlő áramkörrel kell kiegészíteni a rendszert. A kapuvezérlő kialakítását is optimalizálni kell annak érdekében, hogy a lézerradarrendszer teljesítménye illeszkedjen a SAE (Society of Automotive Engineers, Gépjárműipari Mérnökegylet) 3. és annál magasabb szintnek megfelelő fejlett vezetőtámogató (ADAS, advanced driver assistance) rendszerekhez.

Az IEC 60825-1 biztonsági követelményeinek megfelelő nagy teljesítményű, diszkrét alkatrészeket használó kapuvezérlő tervezése összetett és időigényes, ami növelheti a költségeket, és meghosszabbíthatja a piacra kerülés idejét. A feladat megoldására a tervezők használhatnak nagy sebességű kapuvezérlő IC-ket gallium-nitrid (GaN) térvezérlésű teljesítménytranzisztorokkal (teljesítmény-FET) kiegészítve. Az integrált áramkörös megoldás használata minimálisra csökkenti a vezérlőjel épségét rontó parazitaparamétereket, különösen a nagyáramú lézeres teljesítményhurokban, és lehetővé teszi, hogy a nagyáramú vezérlőegységet a kapcsoló teljesítmény-FET-ekhez közel helyezzük el, minimálisra csökkentve a nagyfrekvenciás kapcsolási zajok hatását.

Ez a cikk röviden bemutatja a LiDAR-t vagy lidart, azaz a lézerradart. A felhasználási területek és a biztonsági követelmények ismertetése után áttekinti a gépjárműipari lézerradarok tervezésével kapcsolatos feladatokat a nagyáramú lézeres teljesítményhurokra összpontosítva. Ezután bemutatja az Efficient Power Conversion (EPC), az Excelitas Technologies, az ams OSRAM és a Texas Instruments lézerradarokhoz kínált termékeit, beleértve a GaN teljesítmény-FET-eket, a kapuvezérlőket és a lézerdiódákat, valamint a fejlesztési folyamatot felgyorsító fejlesztőkártyákat és kivitelezési útmutatókat.

A lézerradar működése

A lézerradarrendszerek a lézersugár impulzusának visszaverődési idejét (ToF, time-of-flight) (Δt) mérik, és ennek alapján számítják ki a lézersugarat visszaverő objektumtól való távolságot (1. ábra). A távolság (d) a d = c * Δt/2 képlet segítségével számítható ki, ahol c a fény terjedési sebessége levegőben. A lézerradar egyik lényeges jellemzője a rövid impulzusidő. Mivel a fény sebessége körülbelül 30 cm/ns (centiméter per ns), egy 1 ns-os lézerradar-impulzus hossza körülbelül 30 cm. Ez körülbelül 15 cm-ben szabja meg az érzékelhető távolság alsó határát. Emiatt a lézerradar-impulzusokat néhány nanoszekundumra kell korlátozni ahhoz, hogy emberi léptékű környezetben használható felbontást érjünk el.

1. ábra: A lézerradar a lézersugár visszaverődése alapján észleli az az objektumokat, és a visszaverődési idő mérésével határozza meg azok távolságát (ábra: ams OSRAM)

A lézerradar legfőbb jellemzői az impulzusszélesség, a csúcsteljesítmény, az ismétlési frekvencia és a munkaciklus. Például egy lézerradarrendszerekben használt jellegzetes lézerdióda impulzusszélessége 100 ns vagy kisebb, csúcsteljesítménye > 100 W, ismétlési frekvenciája 1 kHz vagy nagyobb, és a munkaciklusa 0,2%. Minél nagyobb a csúcsteljesítmény, annál nagyobb a LiDAR érzékelési távolsága, de a hűtés miatt kompromisszumot kell kötni. 100 ns-os impulzusszélesség esetén az átlagos munkaciklust a lézer túlmelegedésének elkerülése érdekében általában 0,1–0,2%-ra korlátozzák. A kisebb impulzusszélesség szintén hozzájárul a lézerradar biztonságosságához.

Az IEC 60825-1 a lézerbiztonságot a megengedett legnagyobb besugárzás (MPE, maximum permissible exposure) értéke alapján határozza meg. Ez a fényforrás azon legnagyobb energiasűrűsége vagy teljesítménye, amelynél elhanyagolható az esélye annak, hogy szemkárosodást okozzon. Ahhoz, hogy ez igaz legyen, a megengedett legnagyobb besugárzás teljesítményszintjét annak az energiasűrűségnek a nagyjából 10%-ára korlátozzák, amely 50%-os valószínűséggel okozna szemkárosodást. Állandó teljesítményszint mellett a kisebb impulzusszélesség kisebb átlagos energiasűrűséget jelent, ezért biztonságosabb.

Míg egyetlen lézerradaros visszaverődésiidő-mérés elég lehet egy objektum távolságának meghatározásához, addig néhány ezer vagy néhány millió lézerradaros visszaverődésiidő-mérésből térbeli (háromdimenziós , 3D) pontfelhőt lehet létrehozni (2. ábra). A pontfelhő olyan adatponthalmaz, amely nagy mennyiségű információt, úgynevezett alkotóelemet (idegen szóval komponenst) tárol. Minden alkotóelem egy attribútumot leíró értéket tartalmaz. Az alkotóelemek lehetnek x, y és z koordináták, valamint fényerő-, szín- és időadatok (a tárgy mozgásának mérése érdekében). A lézerradar-pontfelhők a célterület valós idejű 3D modelljét alkotják meg.

2. ábra: A lézerradarrendszerek nagyszámú visszaverődésiidő-mérést kombinálva 3D pontfelhőket és képeket tudnak készíteni a célterületről (ábra: EPC)

GaN FET-ek használata a lézerradarlézerekben

A GaN FET-ek sokkal gyorsabban kapcsolnak, mint szilíciumból készült társaik, így alkalmasak a nagyon kis impulzusszélességet igénylő lézerradarokba. Például az EPC cég EPC2252 jelű terméke egy AEC-Q101 gépjárműipari minősítésű, 80 V-os GaN FET, amely akár 75 A-es áramimpulzus előállítására is képes (3. ábra). Az EPC2252 legnagyobb nyitóirányú ellenállása (RDS_(on)) 11 mΩ, legnagyobb teljes kaputöltése (Q_g) 4,3 nC (nanocoulomb), és nulla a forrás–kapu záróirányú töltésmennyisége (Q_RR).

Az IC DSBGA (die-size ball grid array, félvezetőszelet méretű, gömblábas rácselrendezésű) tokozásban kapható. Ez azt jelenti, hogy a passzivált félvezetőszelet közvetlenül a forraszgömbökhöz van erősítve, minden egyéb tokozás nélkül. Ennek eredményeképpen a DSBGA IC-k mérete megegyezik a szilícium félvezetőszeletekével, így a lehető leghelytakarékosabbak. Az EPC2252 nevezetesen 9-DSBGA, azaz 1,5 mm × 1,5 mm méretű. Hőellenállása a határfelület és a nyomtatott áramköri lap között 8,3 °C/W, így alkalmas nagy alkatrész-sűrűségű rendszerekben való használatra.

3. ábra: Az EPC2252 GaN FET AEC-Q101 minősítésű, és alkalmas a gépjárműipari lézerradarrendszerek lézerdiódáinak vezérlésére (kép: EPC)

A tervezők az EPC cég EPC9179 fejlesztőkártyájával gyorsan elkezdhetnek kísérletezni az EPC2252 IC 2–3 ns teljes impulzusszélességű lézerradarrendszerekben való használatával (4. ábra). Az EPC9179 tartalmaz egy Texas Instruments LMG1020 kapuvezérlőt, amely vezérelhető külső jellel vagy a beépített kis impulzusszélességű impulzusgenerátor jelével (nanoszekundumnál nagyobb pontossággal).

4. ábra: A képen az EPC2252 GaN FET-tel és más nélkülözhetetlen alkatrészekkel való kísérletezéshez készült EPC9179 fejlesztőkártya látható (kép: EPC)

A fejlesztőkártyához tartozik egy EPC9989 közbetétkártya is, amely 5 mm × 5 mm-es, kitörhető közbetétekből (interposer) áll (5. ábra). Ez a méret (az 5 mm × 5 mm) megegyezik sok felületszerelt – például SMD és MMCX – lézerdióda alapterületével, valamint a rádiófrekvenciás csatlakozók és számos más terhelés méretével.

5. ábra: Az EPC9989 közbetétkártya olyan közbetéteket tartalmaz, mint például a jobb felső sarokban látható SMD-lézer-közbetét. Ezek az EPC9179 fejlesztőkártyával való használathoz kitörhetőek a kártyából (kép: EPC)

Az Excelitas Technologies TPGAD1S09H impulzusüzemű lézere (6. ábra), amely 905 nm hullámhosszú fényt sugároz ki, szintén használható az EPC9989 közbetétkártyával. Ez a lézerdióda lábmentes laminált hordozóanyagra rögzített többrétegű monolit IC-t használ, amely kiváló termikus teljesítményt kínál 0,25 nm/°C hullámhossz–hőmérséklet együtthatóval (Δλ/ΔT). Ez a kvantumaknás üreglézer megfelelő vezérlőegységgel < 1 ns fel- és lefutási időt tesz lehetővé. A TPGAD1S09H felületszerelt kártyákon és hibrid IC-kkel is használható. Az eszköz a szerelési síkkal párhuzamosan és arra merőlegesen is képes fényt kibocsátani, az epoxigyanta burkolat pedig elősegíti a kis költségű, nagy mennyiségben történő gyártást.

6. ábra: A TPGAD1S09H impulzusüzemű lézer nagyon nagy csúcsimpulzusokat állít elő, és a szerelési síkkal párhuzamosan és arra merőlegesen is képes fényt kibocsátani (kép: Excelitas)

Az ams OSRAM cég SPL S1L90A_3 A01 lézerdiódája (7. ábra) egy másik példa az EPC9989 közbetétkártyával használható lézerdiódára. Ez az egycsatornás, 908 nm-es lézermodul 1 ns és 100 ns közötti hosszúságú impulzusokat képes kibocsátani 120 W kimenő csúcsteljesítménnyel. A készülék –40 °C és +105 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartományban használható 0,2%-os munkaciklus mellett, és kis, 2,0 mm × 2,3 mm × 0,69 mm méretű QFN tokozásban kapható.

7. ábra: Az SPL S1L90A_3 A01 lézerdióda 1 ns és 100 ns közötti hosszúságú impulzusokat állít elő, és használható az EPC9989 közbetétkártyával (kép: ams OSRAM)

A rendkívül kis impulzusszélességet megkövetelő lézerradarrendszerekhez a tervezők használhatják a Texas Instruments LMG1025-Q1 termékét, amely egy egycsatornás, alacsonyoldali kapuvezérlő 1,25 ns kimenőimpulzus-szélességgel, és alkalmas az IEC 60825-1 szabvány 1. osztálya szerinti biztonsági követelményeknek megfelelő, nagy teljesítményű lézerradarrendszerek létrehozására. A kis impulzusszélesség, a gyors kapcsolás és a 300 ps-os (pikoszekundum) impulzustorzítás lehetővé teszi a nagy távolságú pontos lézerradaros visszaverődésiidő-méréseket.

A 2,9 ns-os terjedési késleltetés javítja a vezérlőhurok válaszidejét, a 2 mm × 2 mm méretű QFN tokozás pedig minimálisra csökkenti a parazitainduktivitást, elősegítve a nagy áramerősségű, kis lengésű kapcsolást a nagyfrekvenciás lézerradar-vezérlő áramkörökben. Az LMG1025-Q1EVM az LMG1025-Q1 kapuvezérlőhöz készült fejlesztőkártya, amelyen ki van alakítva egy olyan hely, amely egy jellegzetes lézerdiódát jelképező ohmos (rezisztív) terhelés elhelyezésére vagy egy lézerdióda ohmos terheléssel történő vezérlőimpulzus-beállítást követő beépítésére szolgál (8. ábra).

8. ábra: Az LMG1025-Q1EVM fejlesztőkártyán egy jellegzetes lézerdiódát jelképező ohmos terhelés helyezhető el a kezdeti beállításhoz (kép: Texas Instruments)

Összegzés

A tervezőknek egyre nagyobb feladatot jelent az olyan gépjárműipari lézerradarrendszerek kifejlesztése, amelyek valós idejű visszaverődésiidő-méréseket végeznek centiméteres felbontással, és megfelelnek az IEC 60825-1 szabvány 1. osztálya szerinti biztonsági követelményeknek. Mint látható, a GaN FET-ek különböző lézerdiódákkal együtt használhatók a nanoszekundumos impulzusszélesség és a nagy csúcsteljesítményszintek előállítására, amelyeket a nagy teljesítményű gépjárműipari lézerradarok igényelnek.

Ajánlott olvasnivaló

1. Ensure LiDAR Automotive Distance Sensor Precision with the Right TIA (A gépjárművekben használt lézerradaros távolságmérő pontosságának megteremtése a megfelelő transzimpedanciás erősítővel)
2. Get Started Quickly with 3D Time-of-Flight Applications (A visszaverődési idő mérésén alapuló 3D-s eszközökkel való ismerkedés gyors megkezdése)