מדריך מהיר לטרנזיסטורי FET‏ GaN עבור LIDAR בכלי רכב אוטונומיים

יישומי גילוי אור חוזר וקביעת מרחק (LiDAR) כוללים כלי רכב אוטונומיים, רחפנים, אוטומציה של מחסנים וחקלאות מדייקת. בני אדם נוכחים במרבית היישומים האלה, מה שמוביל לחששות לגבי הפוטנציאל שלייזר LiDAR יגרום נזק לעיניים. כדי למנוע פגיעה, מערכות LiDAR בכלי-רכב חייבות לעמוד בדרישות בטיחות IEC 60825-1 Class 1 תוך כדי שידור בהספק של עד ‏200‏ ואט‏.

הפתרון הכללי משתמש‏ בפולס של 1 עד 2 ננו-שניות (ns‏) ‏בתדירות של 1 עד 2 מגה-הרץ (MHz‏). זה‏ מאתגר כי‏ דרוש מיקרו-בקר או מעגל-משולב (IC) גדול אחר כדי לבקר את דיודת הלייזר אך הוא אינו יכול לדחוף אותו ישירות, כך שחייבים להוסיף מעגל דוחף שער. כמו כן, תכן דוחף שער זה חייב להיות ממוטב כדי להבטיח שביצועי מערכת‏ ה-LiDAR מתאימים למערכות Society of Automotive Engineers (SAE) Level 3 ומערכות סיועה לנהג מתקדמות (ADAS) גבוהות יותר.

תכנון דוחף שער הספק-גבוה וביצועים-עיליים העומד בדרישות הבטיחות של‏ IEC 60825-1 ומשתמש ברכיבים בדידים הוא‏ מורכב וגוזל זמן, פוטנציאלית מגדיל עלויות ומאריך את הזמן עד ליציאה לשוק. כדי לעמוד באתגרים אלה, מתכננים יכולים לפנות אל מעגלים-משולבים (ICs) מהירות-גבוהה מזווגים עם טרנזיסטורי הספק תוצא שדה (FETs) גאליום ניטריד (GaN‏). שימוש בפתרון משולב ‏מקטין למינימום את האפקטים הפרזיטיים הפוגעים בשלמות אות הדחיפה, במיוחד בחוג ההספק של לייזר זרם-גבוה, והוא מאפשר מיקום של דוחף הזרם-הגבוה קרוב למתגי ההספק, ובכך להקטין למינימום השפעת רעשי מיתוג‏ תדר-גבוה.

מאמר זה מספק‏ מבוא קצר ל-LiDAR. הוא דן ביישומים ודרישות בטיחות לפני סקירת האתגרים בתכנון LiDAR לרכב, תוך התמקדות בחוג ההספק של לייזר זרם-גבוה. אחר כך, המאמר מציג פתרונות LiDAR מבית Efficient Power Conversion‏ (EPC),‏ Excelitas Technologies,‏ ams OSRAM ו-Texas Instruments, כולל טרנזיסטורי הספק FET‏ GaN,‏ דוחפי שער ודיודות לייזר, יחד עם לוחות הערכה והנחיות יישום כדי לזרז את תהליך הפיתוח.

כיצד LiDAR עובד

מערכות LiDAR מודדות את זמן-הטיסה (ToF) ‏(Δt) הלוך-חזור של פולס לייזר כדי לחשב את המרחק מאובייקט (איור 1‏). ניתן לחשב את המרחק (d) על ידי שימוש בנוסחה d = c * Δt/2, כש-c ‏הוא מהירות האור באוויר. משכי פולס קצרים הם אחד המפתחות ל-LiDAR. בהינתן שמהירות האור היא בערך 30 ס"מ לננו-שנייה‏ (cm/ns), אורך פולס ‏LiDAR של ns‏ 1‏ הוא בערך 30‏ ס"מ. זה מציב גבול תחתון של כ-15 ס"מ על גודל הגוף המינימלי שניתן להפריד. כתוצאה מכך, פולסי LiDAR חייבים להיות מוגבלים למספר ננו-שניות כדי לקבל רזולוציה שימושית עבור סביבות בקנה מידה אנושי.

איור 1‏: LiDAR משתמשת במדידות ToF כדי לגלות אובייקטים ולקבוע את המרחק שלהם. (מקור תמונה: ams OSRAM‏)

רוחב פולס, הספק שיא, תדר הישנות ומחזור פעולה (duty cycle) הם מפרטים עיקריים של LiDAR. לדוגמה, דיודת לייזר אופיינית המשמשת במערכת‏ LiDAR יכולה להיות בעלת רוחב פולס של 100‎ ns‏ או פחות, הספק שיא > 100 ואט‏, תדר הישנות‏ של 1 קילו-הרץ (kHz‏‏) או גבוה יותר ומחזור פעולה (duty cycle)‏ של %‏0.2‏. ככל שהספק השיא גבוה יותר, כך טווח הגילוי של ה-LiDAR גדול יותר, אך פיזור תרמי הוא‏ פשרה. עבור‏ רוחב פולס של‏ ‎100 ns‏, מחזור הפעולה (duty cycle) הממוצע‏ בדרך כלל מוגבל ל-%‏0.1‏ עד %‏0.2‏ כדי למנוע התחממות-יתר של הלייזר. רחבי פולס קצרים יותר גם תורמים לבטיחות LiDAR.

ה-IEC 60825-1 מגדיר בטיחות לייזר במונחים של חשיפה מותרת מקסימלית (MPE), שהיא צפיפות האנרגיה הגבוהה ביותר או הספק של מקור אור עם פוטנציאל זניח לגרום נזק לעין. כדי להיות זניחה, רמת הספק ה-MPE מוגבלת בערך ל-%‏10 צפיפות האנרגיה, שלה 50% סיכוי‏ לגרום נזק לעין. עם רמת הספק קבועה,‏ רחבי פולס קצרים יותר הם בעלי צפיפות אנרגיה ‏ממוצעת נמוכה יותר והם בטוחים יותר.

בעוד מדידת ‏LiDAR ToF בודדת יכולה לקבוע את המרחק אל אובייקט, ניתן להשתמש באלפי או מיליוני מדידות LiDAR ToF כדי ליצור ענן תלת-ממדי (‎3-D) של נקודות (איור 2‏). ענן‏ נקודות הוא‏ אוסף של‏ נתוני נקודות המאחסן כמויות גדולות של מידע הנקראות מרכיבים (components). כל מרכיב מכיל ערך המתאר מאפיין. המרכיבים יכולים לכלול קואורדינטות x‏, y‏ ו-z‏ ומידע אודות העוצמה, צבע וזמן (כדי למדוד תנועת אובייקט). ענני נקודות LiDAR יוצרים בזמן-אמת דגם‏ 3‎-D של אזור היעד.

איור 2: מערכות LiDAR משלבות מספרים גדולים של מדידות ToF כדי ליצור ענני נקודות 3‎-D ותמונות של אזור יעד. (מקור תמונה: EPC)

השתמש בטרנזיסטורי FET‏ GaN כדי להפעיל לייזר LiDAR

טרנזיסטורי FET‏ GaN מתמתגים הרבה יותר מהר מהמקבילים שלהם מסיליקון, דבר ההופך אותם למתאימים עבור יישומי LiDAR הדורשים רחבי פולס צרים מאוד. לדוגמה, ה-EPC2252 מבית EPC הוא ‏GaN FET ‏80 וולט מוסמך-רכב AEC-Q101‏ ‏עם יכולת הפקת פולסי זרם‏ של עד 5‏7 אמפר (A‏) (איור 3‏). ל-EPC2252 יש התנגדות מצב-מופעל‏ (RDS_(on)) מקסימלית של 11 מילי-אוהם (mΩ‏), מטען שער כולל מקסימלי ‏(Q_g) של‏ 4.3‏ ננו-קולון (nC) ואפס מטען התאוששות מקור-שפך (Q_RR).

ה-IC‏ מסופק כ-Ball Grid Array‏ בגודל פיסת-סיליקון (DSBGA). זה אומר שהפיסה הפסיבית מוצמדת ישירות לכדוריות הלחמה ללא כל מארז אחר. כתוצאה מכך, שבבי ה-DSBGA הם באותו גודל פיזי כמו פיסת הסיליקון, ובכך מקטינים למינימום את גורם הצורה שלהם. במקרה זה, ה-EPC2252 משתמש ביישום 9‎-DSBGA שמידותיו 1.5 x‏ 1.5 מילימטר (mm). הוא בעל‏ התנגדות תרמית של‏ ‎8.3°C לוואט‏ (C/W˚) מצומת ללוח, מה שהופך אותו למתאים עבור מערכות צפיפות-גבוהה.

איור 3‏: ה-EPC2252 GaN FET‏ מוסמך AEC-Q101‏ והוא‏ מתאים עבור דחיפת דיודות לייזר במערכות LiDAR בכלי-רכב. (מקור תמונה: EPC)

מתכננים יכולים להשתמש בלוח פיתוח EPC9179 של EPC עבור התחלה מהירה על ידי שימוש ב-EPC2252 במערכות LiDAR עם רוחב פולס כולל של‏ 2 עד 3‎ ns‏ (איור 4‏). ה-EPC9179 כולל דוחף שער‏ LMG1020 מבית Texas Instruments שניתן לבקרו על ידי אות חיצוני או מחולל פולס-צר על הלוח (עם דיוק של תת-ננו-שנייה).

איור 4‏: מוצג לוח ההדגמה‏ EPC9179 עבור ה-EPC2252 GaN FET‏ ורכיבי מפתח אחרים. (מקור תמונה: EPC)

לוח הפיתוח מגיע עם‏ לוח מגשר Interposer‏ EPC9989 הכולל מגשרי Interposer מתנתקים‏ ‎5 x 5‏ מ"מ (איור 5‏). מגשרי Interposer אלו תואמים לחתימות-שטח ההרכבה של דיודות לייזר נפוצות רבות להרכבה-משטחית, כגון SMD‏ ו-MMCX, כמו גם התבניות המתוכננות לאכסן מחברי RF ומגוון רחב של עומסים אחרים.

איור 5‏: לוח מגשר ה-Interposer‏ EPC9989 מספק מבחר מגשרי Interposer, כמו מגשר ה-Interposer‏ ללייזר SMD‏ המוצג בצד ימין למעלה, שניתן לניתוק עבור שימוש עם לוח ההדגמה EPC9179. (מקור תמונה: EPC)

לייזר פעימות TPGAD1S09H של Excelitas Technologies‏ ‏ (איור 6‏), הפולט ב-‏905‏ ננומטר (nm), ניתן לשימוש עם לוח מגשר ה-Interposer‏ EPC9989. דיודת לייזר זו משתמשת בשבב מונוליתי רב-שכבתי‏ מורכב על מנשא למינציה ללא מוליכים כדי לספק ביצועים תרמיים מצוינים עם‏ מקדם טמפרטורה אורך-גל (Δλ/ΔT) של‏ 0.25‎ nm/°C. לייזר באר-קוונטית זה תומך בזמני עליה וירידה של‏ < ns‏ 1‏ עם דוחף‏ מתאים. ה-TPGAD1S09H יכול לשמש ביישומי הרכבה-משטחית ואינטגרציה היברידית. הוא יכול לפלוט אור מקבילי או אנכי למישור ההרכבה, ואנקפסולציית שרף האפוקסי תומכת בייצור בנפח גדול ועלות נמוכה.

איור 6: לייזר פעימות TPGAD1S09H מייצר פולסי שיא גבוהים מאוד ויכול לפלוט אור מקבילי או אנכי למישור ההרכבה. (מקור תמונה: Excelitas‏)

ה-SPL S1L90A_3 A01 מבית ams OSRAM‏ (איור 7‏) היא דוגמה נוספת לדיודת לייזר הניתנת לשימוש עם לוח מגשר ה-Interposer ‏EPC9989. מודול לייזר ‎908 nm ערוץ-יחיד זה יכול לספק פולסים בתחום מ-1 עד ‎100 ns‏ עם הספק יציאה שיא של 120 ואט‏. הוא תומך בתחום טמפרטורות עבודה של‏ 40- עד 105‎°C+ עם‏ מחזור פעולה (duty cycle) של‏ %‏0.2‏ ומגיע במארז‏ QFN‏ קומפקטי במידות 9‏0.6‏ ‎2.3 x‏ ‎2.0 x‏‏ מ"מ.

איור 7: דיודת הלייזר SPL S1L90A_3 A01 מייצרת פולסים בתחום ‏מ-1 עד ‎100 ns וניתנת לשימוש עם לוח מגשר ה-Interposer ‏EPC9989. (מקור תמונה: ams OSRAM‏)

עבור מערכות LiDAR הדורשות רחבי פולס צרים ביותר, מתכננים יכולים לפנות אל LMG1025-Q1 של Texas Instruments, שהוא דוחף שער צד-נמוך,‏ ערוץ-יחיד, עם יכולת רוחב פולס יציאה של ‎1.25 ns‏ המאפשר למערכות LiDAR רבות-עוצמה לעמוד בדרישות הבטיחות IEC 60825-1 Class 1. יכולת רוחב פולס צר שלו, מיתוג מהיר ועיוות פולס של 30‏ פיקו-שניות (ps‏) מאפשרים מדידות LiDAR ToF מדויקות בטווחים גדולים.

שיהוי התפשטות של‏ ‎‏2.9‎ ns‏ משפר את זמן ההענות של חוג הבקרה, ומארז ה-QFN ‏2‏ x‏ 2‏ מ"מ‏ ממזער השראות פרזיטית, ובכך הם תומכים בזרם-גבוה וצלצולי מיתוג נמוכים (low-ringing switching) במעגלי דחיפת LiDAR תדר-גבוה. ה-LMG1025-Q1EVM‏ הוא‏ מודול הערכה עבור ה-LMG1025-Q1 שיש לו‏ מקום לאכסן‏ עומס התנגדותי כדי לייצג‏ דיודת לייזר אופיינית, או עבור הרכבת‏ דיודת לייזר אחרי כוונון פולס דחיפה עם עומס התנגדותיה (איור 8‏).

איור 8‏: לוח ההדגמה LMG1025-Q1EVM יכול‏ לאכסן עומס התנגדותי המייצג‏ דיודת לייזר אופיינית עבור הגדרה ראשונית. (מקור תמונה: Texas Instruments)

סיכום

מתכננים מאותגרים יותר ויותר לפתח מערכות LIDAR לרכב המספקות מדידות ToF זמן-אמת עם רזולוציית סנטימטר, שעומדות בדרישות הבטיחות Class 1‏ של‏ IEC 60825-1. כמתואר, ניתן להשתמש בטרנזיסטורי FET‏ GaN עם‏ מגוון דיודות‏ לייזר כדי ליצור את רוחב הפולס של ננו-שנייה ורמות הספק שיא גבוהות הדרושים ב-LiDAR ביצועים-עיליים לרכב.

קריאה מומלצת

1. הבטח דיוק חיישן מרחק LiDAR ברכב עם ה-TIA הנכון
2. התחל צעדים ראשונים במהירות עם יישומי זמן-טיסה (ToF‏) 3D