คู่มือฉบับย่อเกี่ยวกับ GaN FET สำหรับ LiDAR ในยานพาหนะอัตโนมัติ

การใช้งานระบบตรวจจับแสงและวัดระยะ (LiDAR) รวมถึงยานพาหนะอัตโนมัติ โดรน ระบบอัตโนมัติในคลังสินค้า และการเกษตรที่แม่นยำ โดยการใช้งานส่วนใหญ่เหล่านี้มีมนุษย์เกี่ยวข้องอยู่เสมอ ทำให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับความเป็นไปได้ที่เลเซอร์ LiDAR ที่จะทำให้เกิดความเสียหายต่อดวงตา เพื่อป้องกันการบาดเจ็บ ระบบ LiDAR ของยานยนต์จะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัย IEC 60825-1 Class 1 โดยมีกำลังส่งสูงถึง 200 วัตต์

วิธีแก้ปัญหาทั่วไปใช้พัลส์ 1 ถึง 2 นาโนวินาที (ns) ที่อัตราการเกิดซ้ำ 1 ถึง 2 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) นี่เป็นเรื่องที่ท้าทายเนื่องจากจำเป็นต้องใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์หรือวงจรรวม (IC) ดิจิทัลขนาดใหญ่อื่น ๆ เพื่อควบคุมเลเซอร์ไดโอด แต่ไม่สามารถขับเคลื่อนโดยตรงได้ จึงต้องเพิ่มวงจรเกตไดร์ฟเวอร์ นอกจากนี้ การออกแบบเกตไดร์ฟเวอร์นี้ต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพของระบบ LiDAR นั้นเหมาะสมกับ Society of Automotive Engineers (SAE) ระดับ 3 และระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง (ADAS) ที่สูงกว่า

การออกแบบเกตไดร์ฟเวอร์กำลังสูงและประสิทธิภาพสูงที่ตรงตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยของ IEC 60825-1 โดยใช้ส่วนประกอบแยกนั้นมีความซับซ้อนและใช้เวลานาน ซึ่งอาจเพิ่มต้นทุนและเพิ่มเวลาออกสู่ตลาด เพื่อตอบสนองความท้าทายเหล่านี้ นักออกแบบสามารถหันมาใช้ไอซีเกตไดร์ฟเวอร์ความเร็วสูงแบบรวมที่จับคู่กับทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า (FET) แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) โดยการใช้โซลูชันแบบครบวงจรจะช่วยลดโหลดปรสิตที่ลดความสมบูรณ์ของสัญญาณไดรฟ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในวงจรกำลังเลเซอร์กระแสสูง และช่วยให้สามารถระบุตำแหน่งตัวขับกระแสสูงใกล้กับสวิตช์เปิดปิด ช่วยลดผลกระทบของสัญญาณรบกวนในการเปลี่ยนความถี่สูง

บทความนี้ให้ข้อมูลเบื้องต้นโดยสังเขปเกี่ยวกับ LiDAR โดยจะกล่าวถึงการใช้งานและข้อกำหนดด้านความปลอดภัย ก่อนที่จะทบทวนความท้าทายในการออกแบบ LiDAR ของยานยนต์ โดยมุ่งเน้นไปที่วงจรกำลังเลเซอร์กระแสสูง จากนั้นจึงนำเสนอโซลูชั่น LiDAR จาก Efficient Power Conversion (EPC), Excelitas Technologies, ams OSRAM, และ Texas Instruments ซึ่งรวมถึงพาวเวอร์ FET ของ GaN, เกตไดร์ฟเวอร์ และไดโอดเลเซอร์ พร้อมด้วยบอร์ดประเมินผลและคำแนะนำในการดำเนินการเพื่อเร่งกระบวนการพัฒนา

LiDAR ทำงานอย่างไร

ระบบ LiDAR วัดเวลาไปกลับ (ToF) (Δt) ของพัลส์ลำแสงเลเซอร์เพื่อคำนวณระยะห่างจากวัตถุ (รูปที่ 1) ระยะทาง (d) สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร d = c * Δt/2 โดยที่ c คือความเร็วแสงในอากาศ ระยะเวลาพัลส์ที่สั้นเป็นกุญแจสำคัญประการหนึ่งสำหรับ LiDAR เนื่องจากความเร็วแสงมีค่าประมาณ 30 เซนติเมตรต่อ ns (cm/ns) พัลส์ LiDAR 1 ns จึงมีความยาวประมาณ 30 ซม. ซึ่งจะทำให้ขีดจำกัดค่าต่ำประมาณ 15 ซม. สำหรับขนาดคุณลักษณะขั้นต่ำที่สามารถแก้ไขได้ ด้วยเหตุนี้ พัลส์ LiDAR จึงต้องถูกจำกัดไว้ที่สองสามนาโนวินาทีเพื่อให้มีความละเอียดที่เป็นประโยชน์สำหรับสภาพแวดล้อมที่ส่งผลต่อมนุษย์

รูปที่ 1: LiDAR ใช้การวัด ToF เพื่อตรวจจับวัตถุและกำหนดระยะห่าง (แหล่งที่มาภาพ: ams OSRAM)

ความกว้างพัลส์ กำลังสูงสุด ความถี่การเกิดซ้ำ และรอบการทำงานเป็นข้อกำหนดหลักของ LiDAR ตัวอย่างเช่น เลเซอร์ไดโอดทั่วไปที่ใช้ในระบบ LiDAR อาจมีความกว้างพัลส์ 100 ns หรือน้อยกว่า กำลังไฟฟ้าสูงสุด >100 วัตต์, ความถี่การเกิดซ้ำ 1 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) หรือสูงกว่า และรอบการทำงาน 0.2% ยิ่งกำลังสูงสุดมากเท่าใด ระยะการตรวจจับของ LiDAR ก็จะยิ่งนานขึ้นเท่านั้น แต่การกระจายความร้อนก็เป็นข้อดีอย่างหนึ่ง สำหรับความกว้างพัลส์ที่ 100 ns โดยทั่วไปรอบการทำงานโดยเฉลี่ยจะถูกจำกัดไว้ที่ 0.1% ถึง 0.2% เพื่อป้องกันความร้อนสูงเกินไปของเลเซอร์ ความกว้างของพัลส์ที่สั้นลงยังส่งผลต่อความปลอดภัยของ LiDAR อีกด้วย

IEC 60825-1 กำหนดความปลอดภัยของเลเซอร์ในแง่ของค่าแสงที่อนุญาตสูงสุด (MPE) ซึ่งเป็นความหนาแน่นของพลังงานหรือพลังงานสูงสุดของแหล่งกำเนิดแสงที่มีศักยภาพน้อยมากที่จะทำให้เกิดความเสียหายต่อดวงตา กล่าวคือ ระดับพลังงาน MPE ถูกจำกัดไว้ที่ประมาณ 10% ของความหนาแน่นของพลังงาน ซึ่งมีความเป็นไปได้ที่จะทำให้เกิดความเสียหายต่อดวงตา 50% ด้วยระดับพลังงานคงที่ ความกว้างพัลส์ที่สั้นกว่าจะมีความหนาแน่นของพลังงานเฉลี่ยต่ำกว่าและปลอดภัยกว่า

แม้ว่าการวัด LiDAR ToF เพียงครั้งเดียวสามารถกำหนดระยะห่างจากวัตถุได้ แต่การวัด LiDAR ToF นับพันหรือล้านครั้งก็สามารถนำมาใช้เพื่อสร้างคลาวด์พอยต์สามมิติ (3 มิติ) ได้ (รูปที่ 2) คลาวด์พอยต์คือชุดของจุดข้อมูลที่จัดเก็บข้อมูลจำนวนมากที่เรียกว่าส่วนประกอบ แต่ละองค์ประกอบมีค่าที่อธิบายคุณลักษณะ ส่วนประกอบอาจรวมถึงพิกัด x, y และ z และข้อมูลเกี่ยวกับความเข้ม สี และเวลา (เพื่อวัดการเคลื่อนไหวของวัตถุ) คลาวด์พอยต์ LiDAR สร้างโมเดล 3 มิติแบบเรียลไทม์ของพื้นที่เป้าหมาย

รูปที่ 2: ระบบ LiDAR รวมการวัด ToF จำนวนมากเพื่อสร้างคลาวด์พอยต์ 3 มิติและรูปภาพของพื้นที่เป้าหมาย (แหล่งรูปภาพ: EPC)

ใช้ GaN FET เพื่อจ่ายพลังงานให้กับเลเซอร์ LiDAR

GaN FET สวิตช์ได้เร็วกว่าซิลิคอนมาก ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งาน LiDAR ที่ต้องการความกว้างพัลส์ที่แคบมาก ตัวอย่างเช่น EPC2252 จาก EPC เป็น GaN FET 80 โวลต์ที่ผ่านการรับรองยานยนต์ AEC-Q101 ซึ่งสามารถจ่ายกระแสพัลส์สูงถึง 75 แอมแปร์ (A) (รูปที่ 3) EPC2252 มีความต้านทานสถานะเปิดสูงสุด (RDS_(on)) ที่ 11 มิลลิโอห์ม (mΩ) ซึ่งเป็นประจุเกตรวมสูงสุด (Q_g) ที่ 4.3 นาโนคูลอมบ์ (nC) และค่าการกู้คืนระหว่างซอร์สและเดรน (Q_RR) เป็นศูนย์

ไอซีมาในแพ็คเกจ Die-size Ball Grid Array (DSBGA) ซึ่งหมายความว่าดายแบบพาสซีฟจะติดเข้ากับลูกบอลบัดกรีโดยตรงโดยไม่ต้องมีบรรจุภัณฑ์อื่นใด ด้วยเหตุนี้ ชิป DSBGA จึงมีขนาดเท่ากับซิลิคอนดาย ซึ่งทำให้ฟอร์มแฟคเตอร์ของชิปมีขนาดเล็กลง ในกรณีนี้ EPC2252 ใช้ 9-DSBGA ซึ่งมีขนาด 1.5 x 1.5 มิลลิเมตร (มม.) มีความต้านทานความร้อน 8.3°C ต่อวัตต์ (˚C/W) จากจุดเชื่อมต่อถึงบอร์ด ทำให้เหมาะสำหรับระบบที่มีความหนาแน่นสูง

รูปที่ 3: EPC2252 GaN FET ผ่านการรับรอง AEC-Q101 และเหมาะสำหรับการขับไดโอดเลเซอร์ในระบบ LiDAR ของยานยนต์ (แหล่งรูปภาพ: EPC)

นักออกแบบสามารถใช้บอร์ดพัฒนา EPC9179 ของ EPC ได้ เพื่อการเริ่มต้นอย่างรวดเร็วโดยใช้ EPC2252 ในระบบ LiDAR ที่มีความกว้างพัลส์รวม 2 ถึง 3 ns (รูปที่ 4) EPC9179 ประกอบด้วยเกตไดร์ฟเวอร์ LMG1020 จาก Texas Instruments ที่สามารถควบคุมได้โดยสัญญาณภายนอกหรือตัวกำเนิดพัลส์ช่วงแคบแบบออนบอร์ด (ที่มีความแม่นยำต่ำกว่านาโนวินาที)

รูปที่ 4: แสดงบอร์ดสาธิต EPC9179 สำหรับ EPC2252 GaN FET และส่วนประกอบสำคัญอื่นๆ (แหล่งรูปภาพ: EPC)

บอร์ดพัฒนามาพร้อมกับบอร์ดอินเทอร์โพเซอร์ EPC9989 ซึ่งประกอบด้วยอินเทอร์โพเซอร์แบบแยกส่วนขนาด 5 x 5 มม. (รูปที่ 5) สิ่งเหล่านี้สอดคล้องกับพื้นที่ติดตั้งของเลเซอร์ไดโอดแบบยึดบนพื้นผิวทั่วไป เช่น SMD และ MMCX รวมถึงรูปแบบที่ออกแบบมาเพื่อรองรับตัวเชื่อมต่อ RF และโหลดอื่นๆ ที่หลากหลาย

รูปที่ 5: บอร์ดอินเทอร์โพเซอร์ EPC9989 มีคอลเลกชั่นอินเทอร์โพเซอร์ เช่น เลเซอร์อินเทอร์โพเซอร์ SMD ที่แสดงที่มุมขวาบน ซึ่งสามารถแยกออกเพื่อใช้กับบอร์ดสาธิต EPC9179 ได้ (แหล่งรูปภาพ: EPC)

พัลซ์เลเซอร์ TPGAD1S09H ของ Excelitas Technologies (รูปที่ 6) เปล่งแสงที่ 905 นาโนเมตร (nm) สามารถใช้กับบอร์ดอินเทอร์โพเซอร์ EPC9989 โดยเลเซอร์ไดโอดนี้ใช้ชิปแบบ Monolithic หลายชั้นที่ติดตั้งอยู่บนตัวพาลามิเนตไร้สารตะกั่ว เพื่อให้ประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ดีเยี่ยมโดยมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิความยาวคลื่น (Δλ/ΔT) ที่ 0.25 นาโนเมตร/°C เลเซอร์ควอนตัมนี้รองรับเวลาขาขึ้นและขาลงที่ <1 ns พร้อมไดรเวอร์ที่เหมาะสม โดย TPGAD1S09H สามารถใช้ในการใช้งานแบบติดตั้งบนพื้นผิวและการรวมแบบไฮบริด ซึ่งสามารถปล่อยแสงแบบขนานหรือตั้งฉากกับระนาบการติดตั้ง และการห่อหุ้มอีพอกซีเรซินรองรับการผลิตที่มีต้นทุนต่ำและมีปริมาณมาก

รูปที่ 6: พัลส์เลเซอร์ TPGAD1S09H สร้างพัลส์สูงสุดที่สูงมาก และสามารถปล่อยแสงแบบขนานหรือตั้งฉากกับระนาบการติดตั้ง (แหล่งรูปภาพ: Excelitas)

SPL S1L90A_3 A01 จาก ams OSRAM (รูปที่ 7) ก็เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของเลเซอร์ไดโอดที่สามารถใช้กับบอร์ดอินเทอร์โพเซอร์ EPC9989 ได้ โมดูลเลเซอร์ 908 นาโนเมตรช่องเดียวนี้สามารถส่งพัลส์ได้ตั้งแต่ 1 ถึง 100 นาโนเมตร โดยมีกำลังเอาท์พุตสูงสุด 120 วัตต์ รองรับช่วงอุณหภูมิการทำงาน -40 ถึง +105°C โดยมีรอบการทำงาน 0.2% และมาในแพ็คเกจ QFN ขนาดกะทัดรัด ขนาด 2.0 x 2.3 x 0.69 มม.

รูปที่ 7: เลเซอร์ไดโอด SPL S1L90A_3 A01 สร้างพัลส์ตั้งแต่ 1 ถึง 100 ns และสามารถใช้กับบอร์ดอินเทอร์โพเซอร์ EPC9989 (แหล่งที่มาภาพ: ams OSRAM)

สำหรับระบบ LiDAR ที่ต้องการความกว้างพัลส์ที่แคบมาก นักออกแบบสามารถหันไปใช้ Texas Instruments LMG1025-Q1 ซึ่งเป็นเกตไดร์ฟเวอร์ด้านต่ำแบบช่องสัญญาณเดียวที่มีความสามารถด้านความกว้างพัลส์เอาต์พุต 1.25 ns ซึ่งช่วยให้ระบบ LiDAR อันทรงพลังเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัย IEC 60825-1 Class 1 ความสามารถด้านความกว้างของพัลส์ที่แคบ การสวิชต์ที่รวดเร็ว และการบิดเบือนของพัลส์ 300 พิโควินาที (ps) ทำให้สามารถวัด LiDAR ToF ได้อย่างแม่นยำในระยะไกล

ความล่าช้าในการรับส่ง 2.9 ns ปรับปรุงเวลาตอบสนองของลูปควบคุม และแพ็คเกจ QFN ขนาด 2 x 2 มม. ลดการเหนี่ยวนำปรสิตให้เหลือน้อยที่สุด รองรับการสวิตช์กระแสสูงและการริงกิ้งต่ำในวงจรขับเคลื่อน LiDAR ความถี่สูง โดย LMG1025-Q1EVM เป็นโมดูลประเมินผลสำหรับ LMG1025-Q1 ที่มีสถานที่สำหรับรองรับโหลดตัวต้านทานเพื่อแสดงเลเซอร์ไดโอดทั่วไป หรือสำหรับติดตั้งเลเซอร์ไดโอดหลังจากการปรับพัลส์ของไดรฟ์ด้วยโหลดตัวต้านทาน (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: บอร์ดสาธิต LMG1025-Q1EVM สามารถรองรับโหลดความต้านทานซึ่งเป็นตัวแทนของเลเซอร์ไดโอดทั่วไปสำหรับการตั้งค่าเริ่มต้น (แหล่งที่มาภาพ: Texas Instruments)

สรุป

นักออกแบบเผชิญกับความท้าทายมากขึ้นในการพัฒนาระบบ LiDAR สำหรับยานยนต์ที่ให้การวัด ToF แบบเรียลไทม์ด้วยความละเอียดระดับเซนติเมตร ซึ่งตรงตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัย IEC 60825-1 Class 1 ดังที่แสดงไว้ข้างต้น GaN FET สามารถใช้กับเลเซอร์ไดโอดหลากหลายชนิดเพื่อสร้างความกว้างพัลส์นาโนวินาทีและระดับพลังงานสูงสุดสูงซึ่งจำเป็นใน LiDAR ของยานยนต์ประสิทธิภาพสูง

บทความแนะนำ

1. การรับประกันความแม่นยำของเซ็นเซอร์วัดระยะยานยนต์ LiDAR ด้วย TIA ที่เหมาะสม
2. การเริ่มต้นอย่างรวดเร็วด้วยแอปพลิเคชัน 3D Time-of-Flight