Guía rápida de los transistores de efecto de campo (FET) de GaN para LiDAR en vehículos autónomos

Entre las aplicaciones de detección y localización por luz (LiDAR) figuran los vehículos autónomos, los drones, la automatización de almacenes y la agricultura de precisión. En la mayoría de estas aplicaciones hay presencia humana, lo que hace temer que el láser LiDAR pueda causar daños oculares. Para evitar lesiones, los sistemas LiDAR para automóviles deben cumplir los requisitos de seguridad de la norma IEC 60825-1 Clase 1 mientras transmiten a una potencia de hasta 200 vatios.

La solución general utiliza un pulso de 1 a 2 nanosegundos (ns) a una velocidad de repetición de 1 a 2 megahercios (MHz). Esto supone un reto, ya que se necesita un microcontrolador u otro circuito integrado (CI) digital de gran tamaño para controlar el diodo láser, pero no puede accionarlo directamente, por lo que hay que añadir un circuito controlador de compuerta. Además, el diseño de este controlador de compuerta debe optimizarse para garantizar que el rendimiento del sistema LiDAR sea adecuado para los sistemas de asistencia avanzada al conductor (ADAS) de nivel 3 y superiores de la Society of Automotive Engineers (SAE).

Diseñar un controlador de compuerta de alta potencia y alto rendimiento que cumpla los requisitos de seguridad de la norma IEC 60825-1 utilizando componentes discretos es complejo y requiere mucho tiempo, lo que puede aumentar los costes y alargar el plazo de comercialización. Para superar estos retos, los diseñadores pueden recurrir a CI controladores de compuerta integrados y de alta velocidad emparejados con transistores de efecto de campo (FET) de potencia de nitruro de galio (GaN). El uso de una solución integrada minimiza las parásitas que degradan la integridad de la señal de accionamiento, especialmente en el bucle de potencia láser de alta corriente, y permite ubicar el controlador de alta corriente cerca de los interruptores de potencia, minimizando el efecto del ruido de conmutación de alta frecuencia.

Este artículo ofrece una breve introducción al LiDAR. Analiza las aplicaciones y los requisitos de seguridad antes de repasar los retos que plantea el diseño de LiDAR para automóviles, centrándose en el bucle de potencia láser de alta corriente. A continuación, presenta soluciones LiDAR de Efficient Power Conversion (EPC), Excelitas Technologies, ams OSRAM y Texas Instruments, incluidos FET de potencia GaN, controladores de compuerta y diodos láser, junto con placas de evaluación y guías de implantación para acelerar el proceso de desarrollo.

Cómo funciona el LiDAR

Los sistemas LiDAR miden el tiempo de vuelo (ToF) de ida y vuelta (Δt) de un pulso de rayo láser para calcular la distancia desde un objeto (figura 1). La distancia (d) puede calcularse mediante la fórmula d = c * Δt/2, donde c es la velocidad de la luz en el aire. La corta duración de los impulsos es una de las claves del LiDAR. Dado que la velocidad de la luz es de aproximadamente 30 centímetros por ns (cm/ns), un pulso LiDAR de 1 ns tiene una longitud de unos 30 cm. Esto pone un límite inferior de unos 15 cm en el tamaño mínimo de característica que puede resolverse. Como resultado, los pulsos LiDAR deben limitarse a unos pocos nanosegundos para tener una resolución útil para entornos a escala humana.

Figura 1: El LiDAR utiliza mediciones ToF para detectar objetos y determinar su distancia. (Fuente de la imagen: ams OSRAM)

El ancho de pulso, la potencia pulsatoria, la frecuencia de repetición y el ciclo de trabajo son las especificaciones principales de LiDAR. Por ejemplo, un diodo láser típico utilizado en un sistema LiDAR puede tener un ancho de pulso de 100 ns o menos, una potencia pico de >100 vatios, una frecuencia de repetición de 1 kilohercio (kHz) o superior y un ciclo de trabajo del 0.2%. Cuanto mayor sea la potencia máxima, mayor será el rango de detección del LiDAR, pero la disipación térmica es una contrapartida. Para una anchura de impulso de 100 ns, el ciclo de trabajo o útil medio suele limitarse al 0.1% o 0.2% para evitar el sobrecalentamiento del láser. Los anchos de pulso más cortos también contribuyen a la seguridad del LiDAR.

La norma IEC 60825-1 define la seguridad láser en términos de exposición máxima permisible (MPE), que es la mayor densidad de energía o potencia de una fuente luminosa con un potencial insignificante de causar daños oculares. Para ser insignificante, el nivel de potencia del MPE se limita a aproximadamente el 10% de la densidad de energía, que tiene un 50% de posibilidades de causar daños oculares. Con un nivel de potencia constante, los anchos de pulso más cortas tienen una densidad de energía media menor y son más seguras.

Mientras que una sola medición LiDAR ToF puede determinar la distancia a un objeto, se pueden utilizar miles o millones de mediciones LiDAR ToF para crear una nube de puntos tridimensional (3-D) (Figura 2). Una nube de puntos es una colección de puntos de datos que almacenan grandes cantidades de información denominada componentes. Cada componente contiene un valor que describe un atributo. Los componentes pueden incluir coordenadas x, y y z e información sobre la intensidad, el color y el tiempo (para medir el movimiento del objeto). Las nubes de puntos LiDAR crean un modelo tridimensional en tiempo real de la zona objetivo.

Figura 2: Los sistemas LiDAR combinan un gran número de mediciones ToF para crear nubes de puntos tridimensionales e imágenes de una zona objetivo. (Fuente de la imagen: EPC)

El transistor de efecto de campo (FET) de GaN alimenta los láseres LiDAR

Los transistores de efecto de campo (FET) de GaN conmutan mucho más rápido que sus homólogos de silicio, lo que los hace idóneos para aplicaciones LiDAR que requieren anchos de pulso muy estrechos. Por ejemplo, el EPC2252 de EPC es un transistor de efecto de campo (FET) de GaN de 80 voltios con certificación AEC-Q101 para automoción capaz de soportar pulsos de corriente de hasta 75 amperios (A) (Figura 3). El EPC2252 tiene una resistencia en encendido máxima (RDS_(on)) de 11 miliohmios (mΩ), una carga de puerta total máxima (Q_g) de 4,3 nanoculombios (nC) y una carga de recuperación fuente-drenaje (Q_RR) nula.

El CI se suministra en forma de matriz de malla de bola (DSBGA). Esto significa que el molde pasivado se une directamente a las bolas de soldadura sin ningún otro embalaje. Como resultado, los chips DSBGA tienen el mismo tamaño que el molde de silicio, lo que minimiza su factor de forma. En este caso, el EPC2252 utiliza una implementación 9-DSBGA que mide 1.5 x 1.5 milímetros (mm). Tiene una resistencia térmica de 8.3 °C por vatio (˚C/W) de unión a placa, lo que la hace adecuada para sistemas de alta densidad.

Figura 3: El transistor de efecto de campo (FET) de GaN EPC2252 cuenta con la certificación AEC-Q101 y es adecuado para controlar diodos láser en sistemas LiDAR de automoción. (Fuente de la imagen: EPC)

Los diseñadores pueden utilizar la placa de desarrollo EPC9179 de EPC para empezar a trabajar rápidamente empleando el EPC2252 en sistemas LiDAR con anchos de pulso totales de 2 a 3 ns (Figura 4). El EPC9179 incluye un controlador de compuerta LMG1020 de Texas Instruments que puede controlarse mediante una señal externa o un generador de impulsos estrechos integrado (con precisión de subnanosegundos).

Figura 4: Se muestra la placa de demostración EPC9179 para el EPC2252 GaN FET y otros componentes clave. (Fuente de la imagen: EPC)

La placa de desarrollo se suministra con una placa de interconexión EPC9989 compuesta por interconexiones separables de 5 x 5 mm (Figura 5). Corresponden a las huellas de montaje de muchos diodos láser de montaje superficial habituales, como SMD y MMCX, así como a los patrones diseñados para alojar conectores de RF y una amplia variedad de otras cargas.

Figura 5: La placa intercaladora EPC9989 ofrece una colección de intercaladores, como el intercalador láser SMD que se muestra arriba a la derecha, que se pueden extraer a presión para utilizarlos con la placa de demostración EPC9179. (Fuente de la imagen: EPC)

El láser pulsado TPGAD1S09H de Excelitas Technologies (Figura 6), que emite a 905 nanómetros (nm), puede utilizarse con la placa intercaladora EPC9989. Este diodo láser utiliza un chip monolítico multicapa montado sobre un soporte laminado sin conductor para proporcionar un excelente rendimiento térmico con un coeficiente de temperatura de longitud de onda (Δλ/ΔT) de 0.25 nm/°C. Este láser de pozo cuántico admite tiempos de subida y bajada de <1 ns con un controlador adecuado. La TPGAD1S09H puede utilizarse en aplicaciones de montaje en superficie e integración híbrida. Puede emitir luz paralela o perpendicular al plano de montaje, y el encapsulado de resina epoxi permite una fabricación de bajo costo y gran volumen.

Figura 6: El láser pulsado TPGAD1S09H produce picos de pulsos muy elevados y puede emitir luz paralela o perpendicular al plano de montaje. (Fuente de la imagen: Excelitas)

El SPL S1L90A_3 A01 de ams OSRAM (Figura 7) es otro ejemplo de diodo láser que puede utilizarse con la placa intercaladora EPC9989. Este módulo láser monocanal de 908 nm puede emitir pulsos de 1 a 100 ns con una potencia de salida máxima de 120 vatios. Admite un rango de temperatura de funcionamiento de -40 a +105 °C con un ciclo de trabajo o útil del 0.2% y se presenta en un paquete QFN compacto de 2.0 x 2.3 x 0.69 mm.

Figura 7: El diodo láser SPL S1L90A_3 A01 produce pulsos de 1 a 100 ns y puede utilizarse con la placa intercaladora EPC9989. (Fuente de la imagen: ams OSRAM)

Para los sistemas LiDAR que requieren anchos de impulso extremadamente estrechos, los diseñadores pueden recurrir al LMG1025-Q1 de Texas Instruments, un controlador de compuerta de un solo canal y lado bajo con una capacidad de ancho de impulso de salida de 1.25 ns que permite potentes sistemas LiDAR que cumplen los requisitos de seguridad IEC 60825-1 Clase 1. Su estrecho ancho de pulso, rápido interruptor y distorsión de pulso de 300 picosegundos (ps) permiten mediciones LiDAR ToF precisas a gran distancia.

Un retardo de propagación de 2,9 ns mejora el tiempo de respuesta del bucle de control, y el paquete QFN de 2 x 2 mm minimiza la inductancia parásita, lo que favorece la conmutación de alta corriente y bajo soniquete en circuitos de accionamiento LiDAR de alta frecuencia. El LMG1025-Q1EVM es un módulo de evaluación para el LMG1025-Q1 que tiene un lugar para alojar una carga resistiva para representar un diodo láser típico, o para montar un diodo láser después de la sintonización del impulso de accionamiento con una carga resistiva (Figura 8).

Figura 8: La placa de demostración LMG1025-Q1EVM puede alojar una carga resistiva que representa un diodo láser típico para la configuración inicial. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Conclusión:

Los diseñadores se enfrentan cada vez más al reto de desarrollar sistemas LiDAR para automóviles que proporcionen mediciones ToF en tiempo real con una resolución centimétrica que cumplan los requisitos de seguridad de Clase 1 de la norma IEC 60825-1. El transistor de efecto de campo (FET) de GaN puede utilizarse con diversos diodos láser para producir los anchos de pulso de nanosegundos y los elevados picos de potencia necesarios para el LiDAR de alto rendimiento para automóviles.

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