הבנת תפקידם של דוחפים, מתגים ודיודות לייזר עבור ביצועי LiDAR אפקטיביים

מערכות גילוי ומדידת טווח באמצעות אור - Light Detection and Ranging‏ (LiDAR‏) הפכו לשיטה המועדפת עבור אפשור רכב, רכב מונחה אוטומטית (AGV‏), או אפילו שואב אבק רובוטי כדי "לראות" את סביבתו. רחפנים וכלי טיס הטסים גבוה יותר משתמשים גם ב-LiDAR כדי לנווט ולמפות שטח במרחקים גדולים יותר.

למרות שה-LiDAR נחקר היטב, המתכננים חייבים לנקוט בזהירות רבה בבחירת רכיבי מפתח כגון דוחף השער, FET מתג השער ודיודת הלייזר הדרושים ליצירת הפולסים האופטיים.

מאמר זה מעניק סקירה כללית של LiDAR. לאחר מכן הוא מציג דוגמאות של הרכיבים האלקטרו-אופטיים הקריטיים ומראה כיצד הם פועלים יחד כדי ליצור את הפולסים הדרושים.

כיצד LiDAR עובד

LiDAR פועל על ידי שליחת זרם רצוף של פולסים אופטיים קצרים בעוצמה בינונית ולאחר מכן קליטת ההחזרות שלהם. הוא מודד את זמן הטיסה (ToF) כדי ליצור ענן נקודות של הסביבה המציג פרספקטיבה תלת-ממדית (3D‏) (איור 1). מערכות רבות משתמשות במספר דיודות לייזר במטריצה לכיסוי שטח רחב יותר.

איור 1: גישת ה-LiDAR יוצרת ענן נקודות המעניק עיבוד 3D‏ של הסביבה. (מקור התמונה: Blickfeld GmbH‏)

האפליקציה קובעת את הביצועים של מערכת LiDAR. למערכת המשמשת עבור שואב-אבק רובוטי בתנועה-איטית מוגבלת-שטח או AGV‏ יש דרישות טווח ורזולוציה זוויתית הרבה יותר רופפות לעומת מערכת המשמשת במכונית, החייבת להתמודד עם מהירויות גבוהות יותר ולהגיב לרכבים, רוכבי אופניים או הולכי רגל. המספרים המצוינים לעתים קרובות כיעדי ביצועים ברמה העליונה עבור יישומי רכב הם טווח יעיל של 100 מטר עד 200 מטר ורזולוציה זוויתית של 0.1°.

גלוונומטר אלקטרו-מכני דו-צירי סורק את הבזקי הלייזר על פני שטח התמונה כדי להשיג ענן נקודות מדויק. מכיוון שמערכת LiDAR מודדת ToF עבור כל פולס שנפלט וההחזרה הקשורה אליו, היא יכולה ליצור תמונה 3D‏ עם פרספקטיבה של עומק הדרושה לרכבים כדי לנווט את סביבתם בצורה מדויקת.

הנתיב האלקטרו-אופטי שבליבת ה-LiDAR

מערכת LiDAR שלמה, כמו זו המשמשת ב-AGV, דורשת קבוצה מגוונת של בלוקים אופטיים, אנלוגיים, מעבדים ומכניים המחוברים זה לזה. בליבת המערכת נמצא הנתיב האלקטרו-אופטי, הכולל מקור אופטי מבוסס לייזר ומקלט אופטי במיקום משותף (איור 2).

איור 2: נתיב האות האלקטרו-אופטי והרכיבים הקשורים הם לב ליבה של מערכת LiDAR (צד ימין, שורה אמצעית). (מקור התמונה: ROHM)

נתיב האות של המקור היוצר את זרם הפולסים האופטיים נשלט על ידי יחידת מיקרו-בקר ייעודית (MCU), הקובעת את הקצב והרוחב של הפולסים האופטיים הרצויים. לנתיב המקור יש שלושה אלמנטים פונקציונליים מרכזיים:

• דוחף השער מספק פולסים במהירות גבוהה עם זמני עלייה ונפילה מהירים כדי להפעיל ולכבות את מתג השער.
• FET מתג-השער נדלק ונכבה בצורה חדה כדי לשלוט בזרימת הזרם של דיודת הלייזר.
• דיודת הלייזר יוצרת פולסים אופטיים עצמאיים באורך הגל הנדרש שאינם חופפים.

בחירה ושילוב של רכיבים אלה דורשים הבנה של בעיות חשמליות, כמו גם מאפיינים אופטיים כגון שדה ראייה, הספק דיודות הלייזר ורגישות זוויתית של אורך הגל ויחס אות-לרעש אופטי (SNR). אלגוריתמי תוכנה מתקדמים יכולים להתגבר על מגבלות מסוימות בנתיבי האות האלקטרו-אופטיים ואתגרים בסביבה בה מתבצעת החישה. עם זאת, ההנדסה הנבונה היא לבחור רכיבים מותאמים ל-LiDAR במקום להניח שהאלגוריתמים הללו יכולים לפצות על החסרונות.

מבט על רכיב מייצג עבור כל אחת מהפונקציות הללו ממחיש כיצד התקנים מותאמים ל-LiDAR עונים על האתגרים הרבים:

דוחף השער

ה-BD2311NVX-LBE2‏ של ROHM Semiconductor‏ (איור 3) הוא דוחף שער GaN חד-ערוצי אולטרה-מהיר המתאים היטב עבור יישומים תעשייתיים כגון AGVs. הוא מעניק את השילוב הדרוש של זרם ומתח הדוחף. הוא מגיע במארז של 6 פינים בגודל 2.0 מ"מ × 2.0 מ"מ × 0.6 מ"מ בלבד, ויכול לספק עד A‏ 5.4‏ של זרם יציאה עם תחום מתחי הספקה של 4.5 וולט עד 5.5 וולט.

איור 3: דוחף שער חד-ערוצי BD2311NVX-LBE2 מעניק את השילוב הדרוש של זרם ומתח הדוחף כדי לשלוט במדויק על מתג השער של ה-LiDAR. (מקור התמונה: ROHM)

ה-BD2311NVX-LBE2 יכול לדחוף טרנזיסטורי ניידות אלקטרונים גבוהה (HEMT) GaN‏ והתקני מיתוג אחרים עם פולסי יציאה צרים, ובכך לתרום לטווח הארוך ולדיוק הגבוה של ה-LiDAR. פרמטרים קשורים-לפולסים אלה כוללים רוחב פולס כניסה מינימלי של 1.25 ננו-שניות (ns), זמן עלייה טיפוסי של ns‏ 0.65‏ וזמן ירידה טיפוסי של ns‏ 0.70‏, כולם עם עומס של 220 פיקופאראד (pF). זמני שיהוי ההפעלה והכיבוי הם ns‏ 3.4‏ ו-ns‏ 3.0‏, בהתאמה.

FET‏ מתג-השער

היציאה של דוחף השער מתחברת לכניסת הבקרה של התקן מתג בקרת-הזרם. התקן זה חייב לעבור במהירות בין מצבי פעולה וכבוי בשליטת דוחף השער ולטפל בערכי זרם גבוהים יחסית, בדרך כלל A‏ 50‏ עד A‏ 100‏.

רמת הביצועים הנדרשת זמינה באמצעות התקנים כגון ה-EPC2252‏ של EPC‏, טרנזיסטור הספק GaN אופן-הגדלה תעלת-N‏ מורשה-לרכב (AEC-Q101). הוא בעל ניידות אלקטרונים גבוהה במיוחד ומקדם טמפרטורה נמוך עבור התנגדות מצב-מופעל (_(DS(ON‏R‏) נמוכה ביותר, בעוד שמבנה ההתקן הרוחבי ודיודת נושאת-רוב שלו מעניקים מטען שער כולל (_G‏Q‏) נמוך במיוחד ומטען התאוששות מקור-מרזב אפס (_RR‏Q‏). התוצאה היא התקן היכול להתמודד עם משימות שבהן תדר מיתוג גבוה ביותר וזמן מצב-מופעל קצר הם מועילים, ושבהם הפסדי מצב-מופעל הם דומיננטיים.

מתח מרזב-מקור (_DS‏V‏) של V‏ 80‏, _(DS(ON‏R‏ של 11‏ מילי-אוהם (מקסימום), וזרם מרזב (_D‏I‏) רצוף של A‏ 8.2‏ של ה-EPC2252‏ מספרים רק חלק מהסיפור. הוא קל לשימוש, דורש דוחף שער מצב-מופעל של V‏ 5‏ בלבד, V‏ 0‏ עבור מצב-כבוי, והוא אינו זקוק למתח שלילי. זה מפשט הן את שיקולי הדוחף והן את שיקולי פס הספקת-הכוח.

הודות לתכן שלו ולסידור פיסת-הסיליקון, מתג השער יכול להתמודד עם _D‏I‏ של A‏ 75‏ (_PULSE‏T‏ של 10 מיקרו-שניות (µs)) והוא ארוז כפיסת-סיליקון שעברה פסיבציה בגודל של 1.5 מ"מ × 1.5 מ"מ עם תשע בליטות הלחמה למגעים (איור 4). הפחתת האפקטים הפרזיטיים של המארז ושל פיסת-הסיליקון, כגון קיבוליות כניסה (_ISS‏C‏) של pF‏ 440‏ (טיפוסי), תומכת בביצועי פולסים במהירות גבוהה עם מעברים מהירים.

איור 4: טרנזיסטור הספק GaN‏ EPC2252‏ מספק את מיתוג הזרם הנדרש עבור דיודות לייזר עם זרם גבוה במארז בגודל של 1.5 × 1.5 מ"מ. (מקור התמונה: EPC)

דיודת הלייזר

זהו הרכיב הסופי בנתיב האופטי ומתפקד כמתמר אלקטרו-אופטי. בניגוד למצלמות, שהן התקנים פסיביים, דיודות לייזר הן מקורות אקטיביים ופולטות קרינה אופטית, הנחשבת מזיקה לעיניים אנושיות בתנאים מסוימים. העוצמה המקסימלית המותרת מוגדרת על ידי תקנים כגון EN 60825-1:2014‏, "בטיחות של מוצרי לייזר".

דירוג הבטיחות של מערכת LiDAR תלוי בהספק שלה, זווית הפיזור, משך הפולס, כיוון החשיפה ואורך הגל. רוב המערכות משתמשות באורך גל של 905 ננומטר (nm‏) או 1550 ננומטר, כאשר כל אחת מציעה נצילות מקובלת ותאימות אורך גל בין הלייזר לבין פוטו-דיודה מתאימה. בדרך כלל, לייזר של 1550 ננומטר יכול לפלוט בבטחה יותר הספק מאשר לייזר של 905 ננומטר לפני שהוא נחשב לא-בטוח. עם זאת, לייזרים של 905 ננומטר פהם ופולריים מכיוון שהם יעילים וחסכוניים יותר.

עבור אורך גל של 905 ננומטר, ה-RLD90QZW3-00A‏ של ROHM‏ היא דיודת לייזר פולסים הממוטבת עבור יישומי LiDAR. היא תומכת ביציאה של W‏ 75‏ עם זרם קדומני (_F‏I‏) של A‏ 23‏ ומעניקה ביצועים מעולים על פני שלושה פרמטרים: רוחב האלומה (דיברגנץ, פיזור), צרות אורך-גל האלומה ויציבות האלומה.

דיברגנץ האלומה מגדיר את פיזור האלומה עקב דיפרקציה. ה-RLD90QZW3-00A מגדיר ערכים טיפוסיים של 25° במישור הניצב (_⊥‏θ‏) ו-12° במישור המקביל שלו (_//‏θ‏) (איור 5). יציבות טמפרטורת יציאת הלייזר שלו היא 0.15 ננומטר לכל מעלה צלזיוס (nm/°C‏).

איור 5: לדיודת הלייזר בפולסים RLD90QZW3-00A יש ערכי פיזור אלומה טיפוסיים של 25° במישור הניצב (משמאל) ו-12° במישור המקביל שלה (מימין). (מקור התמונה: ROHM)

רוחב פליטת האור הצר והיציבות של אורך גל היציאה של דיודת לייזר זו הם גם קריטיים לשיפור ביצועי המערכת, מכיוון שהם מאפשרים שימוש במסננים מעבירי-פס-תדרים אופטיים באורך-גל צר. ROHM מצהירה שטווח ה-225 מיקרומטר (μm‏) של דיודה זו קטן ב-22% לעומת התקנים תחרותיים זמינים, ובכך תומך ברזולוציה גבוהה יותר ובטווח חישה רחב יותר עם חדות אלומה גבוהה, פליטה צרה וצפיפות אופטית גבוהה.

שני גורמים אלו משפרים את ה-SNR האופטי, ומאפשרים חישה והערכה מדויקת של עצמים במרחק מוגדל. תמונה השוואתית של ענן נקודות מראה את ההשפעה החיובית של מפרטים הדוקים ויציבים אלה על הרזולוציה (איור 6).

איור 6: היציבות והעקביות של יציאת דיודת לייזר פולסים RLD90QZW3-00A מניבה שיפור SNR ורזולוציית ענן נקודות. (מקור התמונה: ROHM)

סיכום

LiDAR נמצא בשימוש נרחב כדי לקלוט פרספקטיבות 3D‏ של הסביבה ולמיפוי שטחים. בליבת מערכת ה-LiDAR נמצאים הרכיבים האלקטרו-אופטיים והאלקטרו-אופטיים המשלבים את היכולות המורכבות הדרושות למערכת ברת-מימוש. עבור פונקציות המקור האופטי, דוחף השער, FET מתג השער ודיודת הלייזר חייבים להיות תואמים ביחס למתח, זרם, מהירות ויציבות כדי להבטיח ביצועים אופטימליים.

תוכן קשור ל-LiDAR‏

• הבטיחו דיוק חיישן מרחק LiDAR לכלי-רכב עם מגבר ה- TIA הנכון
• הבנה של איך LiDAR עובד מראה את החשיבות של בחירה קפדנית של TIA ומשוון
• פישוט מדידות מרחק זמן-טיסה
• צעדים ראשונים עם יישומי זמן-טיסה (ToF‏) 3D
• מדריך מהיר לטרנזיסטורי FET‏ GaN עבור LIDAR בכלי רכב אוטונומיים
• ממירי זמן-לדיגיטלי משולבים מפשטים תכני מציאת טווחי זמן-טיסה