ทำความเข้าใจบทบาทของไดรเวอร์ สวิตช์ และไดโอดเลเซอร์เพื่อประสิทธิภาพ LiDAR ที่มีประสิทธิภาพ

ระบบตรวจจับและวัดระยะแสง (LiDAR) กลายเป็นวิธีการที่ต้องการเพื่อให้รถยนต์ ยานพาหนะนำทางอัตโนมัติ (AGV) หรือแม้แต่หุ่นยนต์ดูดฝุ่น "มองเห็น" สภาพแวดล้อมโดยรอบได้ โดรนและเครื่องบินที่บินสูงยังใช้ LiDAR เพื่อนำทางและทำแผนที่ภูมิประเทศในระยะไกลอีกด้วย

แม้ว่าจะมีการศึกษา LiDAR เป็นอย่างดีแล้ว แต่ผู้ออกแบบต้องใช้ความเอาใจใส่เป็นพิเศษในการเลือกส่วนประกอบที่สำคัญ เช่น ไดรเวอร์เกต สวิตช์เกต FET และไดโอดเลเซอร์ที่จำเป็นในการสร้างพัลส์ออปติคัล

บทความนี้ให้ภาพรวมของ LiDAR จากนั้นจะนำเสนอตัวอย่างส่วนประกอบอิเล็กโทรออปติกที่สำคัญและแสดงวิธีการทำงานร่วมกันเพื่อสร้างพัลส์ที่จำเป็น

LiDAR ทำงานอย่างไร

LiDAR ทำงานโดยการส่งพัลส์ออปติกสั้นและกำลังปานกลางอย่างต่อเนื่องแล้วจับภาพสะท้อนเหล่านั้น เครื่องวัดเวลาบิน (ToF) เพื่อสร้างกลุ่มจุดของสภาพแวดล้อมที่แสดงมุมมองสามมิติ (3D) (รูปที่ 1) ระบบจำนวนมากใช้ไดโอดเลเซอร์หลายตัวในเมทริกซ์เพื่อครอบคลุมพื้นที่ที่กว้างขึ้น

รูปที่ 1: แนวทาง LiDAR สร้างกลุ่มจุดที่ให้การเรนเดอร์สภาพแวดล้อมแบบ 3 มิติ (ที่มาของภาพ: Blickfeld GmbH)มม

แอปพลิเคชันนี้จะกำหนดประสิทธิภาพการทำงานของระบบ LiDAR ระบบที่ใช้กับหุ่นยนต์ดูดฝุ่นที่เคลื่อนที่ช้าและจำกัดพื้นที่หรือ AGV นั้นมีข้อกำหนดด้านระยะและความละเอียดเชิงมุมที่ยืดหยุ่นกว่าระบบที่ใช้ในรถยนต์ ซึ่งต้องรับมือกับความเร็วที่เร็วกว่า และตอบสนองต่อยานพาหนะ นักปั่นจักรยาน หรือคนเดินถนน ตัวเลขที่มักอ้างถึงเป็นเป้าหมายประสิทธิภาพระดับสูงสุดสำหรับการใช้งานยานยนต์คือระยะที่มีประสิทธิภาพ 100m ถึง 200m และความละเอียดเชิงมุม 0.1°

เครื่องวัดกระแสไฟฟ้ากลแบบสองแกนจะสแกนแฟลชเลเซอร์ข้ามพื้นที่ภาพเพื่อสร้างกลุ่มจุดที่แม่นยำ เนื่องจากระบบ LiDAR วัด ToF สำหรับพัลส์ที่ปล่อยออกมาแต่ละพัลส์และคลื่นสะท้อนที่เกี่ยวข้อง จึงสามารถสร้างภาพ 3 มิติที่มีมุมมองเชิงลึก ซึ่งจำเป็นสำหรับยานพาหนะที่จะนำทางบริเวณโดยรอบได้อย่างแม่นยำ

เส้นทางไฟฟ้าออปติกที่แกนกลางของ LiDAR

ระบบ LiDAR ที่สมบูรณ์ เช่น ระบบที่ใช้ใน AGV ต้องมีบล็อกออปติคัล อนาล็อก โปรเซสเซอร์ และกลไกที่เชื่อมต่อกันหลากหลายชุด แกนกลางของระบบคือเส้นทางแสงไฟฟ้า ซึ่งประกอบด้วยแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์และตัวรับแสงที่อยู่ร่วมกัน (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: เส้นทางสัญญาณอิเล็กโทรออปติกและส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องถือเป็นหัวใจของระบบ LiDAR (ด้านขวา แถวกลาง) (แหล่งที่มาของภาพ: ROHM)

เส้นทางสัญญาณของแหล่งกำเนิดที่สร้างสตรีมพัลส์ออปติคัลนั้นถูกควบคุมโดยหน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) เฉพาะทาง ซึ่งจะกำหนดอัตราการทำซ้ำและความกว้างของพัลส์ออปติคัลที่ต้องการ เส้นทางต้นทางมีองค์ประกอบการทำงานที่สำคัญสามประการ:

• ไดรเวอร์เกต จะส่งพัลส์ความเร็วสูงที่มีเวลาขึ้นและลงที่รวดเร็วเพื่อเปิดและปิดสวิตช์เกต
• สวิตช์เกต FET จะเปิดและปิดอย่างรวดเร็วเพื่อควบคุมการไหลของกระแสไฟของเลเซอร์ไดโอด
• เลเซอร์ไดโอด สร้างพัลส์ออปติกอิสระที่ไม่ทับซ้อนกันตามความยาวคลื่นที่ต้องการ

การเลือกและการรวมส่วนประกอบเหล่านี้จำเป็นต้องมีความเข้าใจในประเด็นทางไฟฟ้า ตลอดจนคุณลักษณะทางแสง เช่น ระยะการมองเห็น กำลังไดโอดเลเซอร์ ความไวเชิงมุมของความยาวคลื่น และอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) อัลกอริธึมซอฟต์แวร์ขั้นสูงสามารถเอาชนะข้อจำกัดบางประการในเส้นทางสัญญาณไฟฟ้าออปติกและความท้าทายในการตั้งค่าการตรวจจับได้ อย่างไรก็ตาม ถือเป็นการวิศวกรรมที่รอบคอบในการเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสมกับ LiDAR แทนที่จะสันนิษฐานว่าอัลกอริทึมเหล่านี้สามารถชดเชยข้อบกพร่องได้

การดูส่วนประกอบตัวแทนสำหรับแต่ละฟังก์ชันเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์ที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมกับ LiDAR ช่วยแก้ไขปัญหาต่างๆ มากมายได้อย่างไร:

คนขับรถประตู

ROHM Semiconductor BD2311NVX-LBE2 (รูปที่ 3) เป็นไดรเวอร์เกต GaN แบบช่องเดียวความเร็วสูงพิเศษ เหมาะสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม เช่น AGV มันให้การผสมผสานที่จำเป็นของกระแสไดรฟ์และแรงดันไฟฟ้า มาในแพ็คเกจ 6 พินที่มีขนาดเพียง 2.0mm × 2.0mm × 0.6mm และสามารถจ่ายกระแสไฟขาออกสูงสุด 5.4A ที่ช่วงแรงดันไฟฟ้า 4.5V ถึง 5.5V.

รูปที่ 3: ไดรเวอร์เกตช่องเดียว BD2311NVX-LBE2 มอบการผสมผสานที่จำเป็นของกระแสไดรฟ์และแรงดันไฟฟ้าเพื่อควบคุมสวิตช์เกต LiDAR อย่างแม่นยำ (แหล่งที่มาของภาพ: ROHM)

BD2311NVX-LBE2 สามารถขับเคลื่อนทรานซิสเตอร์ GaN HEMT และอุปกรณ์สวิตชิ่งอื่นๆ ที่มีพัลส์เอาต์พุตแคบ จึงช่วยให้ LiDAR มีระยะการทำงานที่ไกลขึ้นและมีความแม่นยำสูงขึ้น พารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับพัลส์เหล่านี้ได้แก่ ความกว้างพัลส์อินพุตขั้นต่ำ 1.25 นาโนวินาที (ns) เวลาเพิ่มขึ้นทั่วไป 0.65ns และเวลาลดลงทั่วไป 0.70ns ทั้งหมดนี้มาพร้อมกับโหลด 220 พิโกฟารัด (pF) เวลาหน่วงการเปิดและปิดคือ 3.4ns และ 3.0ns ตามลำดับ

เกทสวิตช์ (gate-switch) FET

เอาท์พุตของไดรเวอร์เกตเชื่อมต่อกับอินพุตควบคุมของอุปกรณ์สวิตช์ควบคุมกระแสไฟฟ้า อุปกรณ์นี้จะต้องสลับระหว่างสถานะเปิดและปิดอย่างรวดเร็วตามที่ไดรเวอร์เกตกำหนด และจัดการกับค่ากระแสไฟฟ้าที่ค่อนข้างสูง โดยทั่วไปคือ 50A ถึง 100A

ระดับประสิทธิภาพที่ต้องการนั้นสามารถใช้ได้กับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น EPC2252 ซึ่ง เป็นทรานซิสเตอร์กำลัง GaN โหมดปรับปรุงช่อง N ที่ผ่านการรับรองสำหรับยานยนต์ (AEC-Q101) มีคุณสมบัติการเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนที่สูงเป็นพิเศษและค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำสำหรับความต้านทานการเปิดที่ต่ำมาก (R_DS(ON)) ในขณะที่โครงสร้างอุปกรณ์ด้านข้างและไดโอดพาหะส่วนใหญ่ให้ประจุเกตรวมที่ต่ำเป็นพิเศษ (Q_G) และประจุการกู้คืนจากแหล่งซอร์ส-เดรน (source-drain) (Q_RR) เป็นศูนย์ ผลลัพธ์ที่ได้คืออุปกรณ์ที่สามารถจัดการกับงานที่มีความถี่การสลับสูงมากและเวลาเปิดเครื่องต่ำเป็นประโยชน์ และมีการสูญเสียสถานะเป็นหลัก

แรงดันไฟเดรน-ซอร์ส 80V (V_DS), 11 มิลลิโอห์ม (mΩ) (สูงสุด) R_DS(ON) และกระแสเดรนต่อเนื่อง (I_D) ที่ 8.2A ของ EPC2252 นั้นเป็นเพียงส่วนหนึ่งของเรื่องราวเท่านั้น ใช้งานง่าย ต้องใช้ไดรฟ์เกตสถานะเปิดเพียง 5V, 0V สำหรับสถานะปิด และไม่จำเป็นต้องใช้แรงดันไฟฟ้าลบ ซึ่งจะช่วยลดความยุ่งยากในการพิจารณาทั้งไดรเวอร์และรางจ่ายไฟ

เนื่องจากการออกแบบและการจัดเรียงได ทำให้สวิตช์เกตสามารถจัดการ I_D ได้ 75 A (T_PULSE 10 ไมโครวินาที (µs)) และบรรจุเป็นไดที่ผ่านการทำให้เฉื่อยซึ่งมีขนาด 1.5mm × 1.5mm พร้อมจุดบัดกรีสัมผัส 9 จุด (รูปที่ 4) การลดปรสิตแบบแพ็คเกจและได เช่น ความจุอินพุต (C_ISS) ที่ 440pF (ทั่วไป) รองรับประสิทธิภาพการทำงานของพัลส์ความเร็วสูงพร้อมการเปลี่ยนแปลงที่รวดเร็ว

รูปที่ 4: ทรานซิสเตอร์กำลัง GaN EPC2252 ให้การสลับกระแสที่จำเป็นสำหรับไดโอดเลเซอร์กระแสสูงในแพ็คเกจขนาด 1.5 × 1.5mm (แหล่งที่มาของภาพ: EPC)

ไดโอดเลเซอร์ (The laser diode)

นี่คือส่วนประกอบสุดท้ายในเส้นทางแสงและทำหน้าที่เป็นตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าออปติก ต่างจากกล้องซึ่งเป็นอุปกรณ์แบบพาสซีฟ ไดโอดเลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานที่ทำงานอยู่และปล่อยรังสีออปติคอลซึ่งถือว่าเป็นอันตรายต่อดวงตาของมนุษย์ภายใต้สภาวะบางอย่าง ความเข้มข้นสูงสุดที่อนุญาตถูกกำหนดโดยมาตรฐานต่างๆ เช่น EN 60825-1:2014 "ความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์เลเซอร์"

ระดับความปลอดภัยของระบบ LiDAR ขึ้นอยู่กับพลังงาน มุมการแยก ระยะเวลาพัลส์ ทิศทางการรับแสง และความยาวคลื่น ระบบส่วนใหญ่ใช้ความยาวคลื่น 905 นาโนเมตร (nm) หรือ 1550 นาโนเมตร ซึ่งแต่ละความยาวคลื่นให้ประสิทธิภาพที่ยอมรับได้และความเข้ากันได้ของความยาวคลื่นระหว่างเลเซอร์และโฟโตไดโอดที่เหมาะสม โดยทั่วไปเลเซอร์ 1,550 นาโนเมตรสามารถปล่อยพลังงานได้มากกว่าเลเซอร์ 905 นาโนเมตรอย่างปลอดภัย ก่อนที่จะถือว่าไม่ปลอดภัย อย่างไรก็ตาม เลเซอร์ขนาด 905 นาโนเมตรได้รับความนิยมเนื่องจากมีความคุ้มต้นทุนมากกว่า

ROHM RLD90QZW3-00A เป็นไดโอดเลเซอร์แบบพัลส์ที่มีความยาวคลื่น 905 นาโนเมตร ซึ่งเหมาะสำหรับแอปพลิเคชัน LiDAR รองรับเอาต์พุต 75W ที่กระแสไฟฟ้าเดินหน้า (I_F) ที่ 23A และให้ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าในสามพารามิเตอร์: ความกว้างของลำแสง (การแยกออกจากกัน) ความแคบของความยาวคลื่นของลำแสง และความเสถียรของลำแสง

ความแตกต่างของลำแสงจะกำหนดการแพร่กระจายของลำแสงอันเนื่องมาจากการเลี้ยวเบน RLD90QZW3-00A กำหนดค่าทั่วไปที่ 25° ในระนาบตั้งฉาก (θ_⊥) และ 12° ในระนาบขนาน (θ_//) (รูปที่ 5) เสถียรภาพอุณหภูมิเอาต์พุตเลเซอร์คือ 0.15 นาโนเมตรต่อองศาเซลเซียส (nm/°C)

รูปที่ 5: ไดโอดเลเซอร์แบบพัลส์ RLD90QZW3-00A มีค่าการแยกลำแสงทั่วไปที่ 25° ในระนาบตั้งฉาก (ซ้าย) และ 12° ในระนาบขนาน (ขวา) (ที่มาของภาพ: ROHM)

ความกว้างของการแผ่แสงที่แคบและความเสถียรของความยาวคลื่นเอาต์พุตของไดโอดเลเซอร์ยังมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของระบบที่เพิ่มขึ้น เพราะช่วยให้สามารถใช้ฟิลเตอร์แบนด์พาสออปติกที่มีความยาวคลื่นแคบได้ ROHM ระบุว่าช่วง 225 ไมโครเมตร (μm) ของไดโอดนี้มีขนาดเล็กกว่าอุปกรณ์คู่แข่งที่มีจำหน่ายถึง 22% จึงรองรับความละเอียดที่สูงขึ้นและช่วงการตรวจจับที่กว้างขึ้นด้วยความคมชัดของลำแสงสูง การแผ่รังสีแสงแคบ และความหนาแน่นทางแสงสูง

ปัจจัยทั้งสองนี้ช่วยปรับปรุง SNR แบบออปติคอล ช่วยให้สามารถรับรู้และประเมินวัตถุในระยะไกลได้อย่างแม่นยำ ภาพกลุ่มจุดเปรียบเทียบแสดงให้เห็นผลกระทบเชิงบวกของข้อกำหนดที่เข้มงวดและมีเสถียรภาพเหล่านี้ต่อความละเอียด (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: ความเสถียรและความสม่ำเสมอของเอาต์พุตไดโอดเลเซอร์แบบพัลส์ RLD90QZW3-00A ช่วยให้ได้ SNR และความละเอียดคลาวด์จุดที่ดีขึ้น (แหล่งที่มาของภาพ: ROHM)

บทสรุป

LiDAR ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการบันทึกมุมมองสามมิติของสภาพแวดล้อมและทำแผนที่ภูมิประเทศ แกนหลักของระบบ LiDAR คือส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และอิเล็กโทรออปติกที่ผสานความสามารถอันซับซ้อนที่จำเป็นสำหรับระบบที่ใช้งานได้จริง สำหรับฟังก์ชันแหล่งกำเนิดแสง ไดรเวอร์เกต สวิตช์เกต FET และไดโอดเลเซอร์จะต้องเข้ากันได้ในด้านแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟ ความเร็ว และความเสถียรเพื่อให้แน่ใจถึงประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุด

เนื้อหา LiDAR ที่เกี่ยวข้อง

• ตรวจสอบความแม่นยำของเซ็นเซอร์ระยะทางยานยนต์ LiDAR ด้วย TIA ที่ถูกต้อง
• ความเข้าใจถึงการทำงานของ LiDAR แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการเลือก TIA และตัวเปรียบเทียบอย่างรอบคอบ
• การลดความซับซ้อนของการวัดระยะทางตามเวลาบิน
• การเริ่มต้นอย่างรวดเร็วด้วยแอปพลิเคชัน 3D Time-of-Flight
• คู่มือฉบับย่อเกี่ยวกับ GaN FET สำหรับ LiDAR ในยานพาหนะอัตโนมัติ
• ตัวแปลงเวลาเป็นดิจิทัลแบบบูรณาการช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบการวัดระยะตามระยะเวลาการบิน