Comprender el papel de los controladores, interruptores y diodos láser para un rendimiento LiDAR eficaz

Los sistemas de detección y medición de distancias por luz (LiDAR) se han convertido en el método preferido para que un automóvil, un vehículo de guiado automático (AGV) o incluso un robot aspirador puedan "ver" su entorno. Los drones y los aviones que vuelan más alto también utilizan LiDAR para navegar y cartografiar el terreno a mayores distancias.

Aunque el LiDAR está muy estudiado, los diseñadores deben tener mucho cuidado al seleccionar componentes clave como el controlador de compuerta, el FET de conmutación de compuerta y el diodo láser necesario para crear los pulsos ópticos.

Este artículo ofrece una visión general del LiDAR. A continuación, presenta ejemplos de los componentes electroópticos críticos y muestra cómo trabajan juntos para generar los impulsos necesarios.

Cómo funciona el LiDAR

El LiDAR funciona enviando un flujo continuo de impulsos ópticos cortos de potencia moderada y captando después sus reflejos. Mide el tiempo de vuelo (ToF) para crear una nube de puntos del entorno que presenta una perspectiva tridimensional (3D) (Figura 1). Muchos sistemas utilizan varios diodos láser en una matriz para ampliar la cobertura.

Figura 1: El enfoque LiDAR crea una nube de puntos que proporciona una representación tridimensional del entorno. (Fuente de la imagen: Blickfeld GmbH)

La aplicación determina el rendimiento de un sistema LiDAR. Un sistema utilizado para una aspiradora robótica de movimiento lento y área limitada o un AGV tiene unos requisitos de alcance y resolución angular mucho más laxos que uno utilizado en un coche, que debe enfrentarse a velocidades más rápidas y responder a vehículos, ciclistas o peatones. Las cifras que suelen citarse como objetivos de rendimiento de máximo nivel para las aplicaciones de automoción son un alcance efectivo de 100 m a 200 m y una resolución angular de 0,1°.

Un galvanómetro electromecánico de dos ejes escanea los destellos láser a través del área de la imagen para obtener una nube de puntos precisa. Como el sistema LiDAR mide el ToF de cada pulso emitido y su retorno asociado, puede crear una imagen 3D con la perspectiva de profundidad necesaria para que los vehículos naveguen por su entorno con precisión.

La ruta electroóptica en el núcleo de LiDAR

Un sistema LiDAR completo, como el utilizado en un AGV, requiere un conjunto diverso de bloques ópticos, analógicos, de procesador y mecánicos interconectados. El núcleo del sistema es la vía electroóptica, que consta de una fuente óptica basada en láser y un receptor óptico situado en el mismo lugar (Figura 2).

Figura 2: La ruta de la señal electroóptica y los componentes asociados son el corazón de un sistema LiDAR (lado derecho, fila central). (Fuente de la imagen: ROHM)

La ruta de la señal de la fuente que crea el flujo de pulsos ópticos está controlada por una unidad de microcontrolador (MCU) específica, que determina la frecuencia y el ancho de repetición de pulsos ópticos deseados. La ruta de origen tiene tres elementos funcionales clave:

• El controlador de compuerta proporciona impulsos de alta velocidad con tiempos de subida y bajada rápidos para activar y desactivar el interruptor de compuerta.
• El FET de conmutación de compuerta se enciende y apaga bruscamente para controlar el flujo de corriente del diodo láser.
• El diodo láser crea impulsos ópticos independientes y no solapados en la longitud de onda requerida.

Para seleccionar e integrar estos componentes es necesario conocer los aspectos eléctricos y las características ópticas, como el campo de visión, la potencia del diodo láser y la sensibilidad angular de la longitud de onda, así como la relación señal/ruido óptica (SNR). Los algoritmos de software avanzados pueden superar algunas limitaciones de las rutas de las señales electroópticas y los retos del entorno detectado. Sin embargo, es de ingeniería prudente elegir componentes optimizados para LiDAR en lugar de asumir que estos algoritmos pueden compensar las deficiencias.

Un vistazo a un componente representativo de cada una de estas funciones ilustra cómo los dispositivos optimizados para LiDAR abordan los numerosos desafíos:

El controlador de compuerta

El BD2311NVX-LBE2 de ROHM Semiconductor (Figura 3) es un controlador de compuerta de GaN ultrarrápido de un solo canal muy adecuado para aplicaciones industriales como los AGV. Proporciona la combinación necesaria de corriente y tensión de accionamiento. Se presenta en un paquete de 6 pines que mide solo 2.0 mm × 2.0 mm × 0.6 mm y puede generar hasta 5.4 A de corriente de salida con un rango de tensión de alimentación de 4.5 V a 5.5 V.

Figura 3: El controlador de compuerta monocanal BD2311NVX-LBE2 proporciona la combinación necesaria de corriente y tensión de accionamiento para controlar con precisión un interruptor de compuerta LiDAR. (Fuente de la imagen: ROHM)

El BD2311NVX-LBE2 puede accionar transistores GaN de alta movilidad electrónica (HEMT) y otros dispositivos de conmutación con pulsos de salida estrechos, lo que contribuye al largo alcance y la alta precisión del LiDAR. Estos parámetros relacionados con los impulsos incluyen un ancho mínimo del impulso de entrada de 1.25 nanosegundos (ns), un tiempo de subida típico de 0.65 ns y un tiempo de bajada típico de 0.70 ns, todo ello con una carga de 220 picofaradios (pF). Los tiempos de retardo de encendido y apagado son de 3.4 ns y 3.0 ns, respectivamente.

El FET de conmutación de compuerta

La salida del controlador de compuerta se conecta a la entrada de control del dispositivo de conmutación de control de corriente. Este dispositivo debe conmutar rápidamente entre los estados de encendido y apagado según lo indique el controlador de compuerta y manejar valores de corriente relativamente grandes, normalmente de 50 A a 100 A.

El nivel de rendimiento requerido se puede conseguir utilizando dispositivos como el EPC2252 de EPC, un transistor de potencia de GaN de canal N y modo de mejora con calificación para automoción (AEC-Q101). Presenta una movilidad de electrones excepcionalmente alta y un bajo coeficiente de temperatura para una resistencia de encendido (R_DS(ON)) muy baja, mientras que su estructura de dispositivo lateral y su diodo de portador mayoritario proporcionan una carga total de compuerta (Q_G) excepcionalmente baja y una carga de recuperación fuente-drenaje (Q_RR) nula. El resultado es un dispositivo que puede manejar tareas en las que una frecuencia de conmutación muy alta y un tiempo de encendido bajo son beneficiosos y donde dominan las pérdidas de estado encendido.

Los 80 V de tensión de drenaje-fuente (V_DS) del EPC2252, los 11 miliohmios (mΩ) (máximos) de R_DS(ON) y la corriente de drenaje continua (I_D) de 8.2 A solo cuentan parte de la historia. Es fácil de usar, requiere un accionamiento de la compuerta en estado activado de solo 5 V, 0 V para el estado desactivado, y no necesita una tensión negativa. De este modo, se simplifican las consideraciones sobre el conductor y el carril de alimentación.

Gracias a su diseño y a la disposición de la matriz, el interruptor de compuerta puede manejar un I_D de 75 A (T_PULSE de 10 microsegundos (µs)) y está empaquetado como una matriz pasivada que mide 1.5 mm × 1.5 mm con nueve puntos de soldadura de contacto (Figura 4). La reducción de parásitos en el paquete y en el chip, como una capacitancia de entrada (C_ISS) de 440 pF (típica), favorece el rendimiento de impulsos de alta velocidad con transiciones rápidas.

Figura 4: El transistor de potencia de GaN EPC2252 proporciona la conmutación de corriente necesaria para diodos láser de alta corriente en un encapsulado de 1.5 × 1.5 mm. (Fuente de la imagen: EPC)

El diodo láser

Es el último componente del recorrido óptico y funciona como transductor electroóptico. A diferencia de las cámaras, que son dispositivos pasivos, los diodos láser son fuentes activas y emiten radiación óptica, considerada nociva para los ojos humanos en algunas condiciones. La intensidad máxima permitida está definida por normas como la EN 60825-1:2014, "Seguridad de los productos láser".

El índice de seguridad de un sistema LiDAR depende de su potencia, ángulo de divergencia, duración del impulso, dirección de exposición y longitud de onda. La mayoría de los sistemas utilizan una longitud de onda de 905 nanómetros (nm) o 1550 nm, cada una de las cuales ofrece una eficacia aceptable y una compatibilidad de longitud de onda entre el láser y un fotodiodo adecuado. En general, un láser de 1550 nm puede emitir con seguridad más potencia que un láser de 905 nm antes de que se considere inseguro. Sin embargo, los láseres de 905 nm son populares porque son más rentables.

Con una longitud de onda de 905 nm, el ROHM RLD90QZW3-00A es un diodo láser pulsado optimizado para aplicaciones LiDAR. Soporta una salida de 75 W a una corriente de avance (I_F) de 23 A y ofrece un rendimiento superior en tres parámetros: ancho del haz (divergencia), estrechez de la longitud de onda del haz y estabilidad del haz.

La divergencia del haz define la dispersión del haz debida a la difracción. El RLD90QZW3-00A especifica valores típicos de 25° en el plano perpendicular (θ_⊥) y 12° en su plano paralelo (_θ//) (Figura 5). Su estabilidad de temperatura de salida del láser es de 0.15 nm por grado Celsius (nm/°C).

Figura 5: El diodo láser pulsado RLD90QZW3-00A tiene unos valores típicos de divergencia del haz de 25° en el plano perpendicular (izquierda) y de 12° en su plano paralelo (derecha). (Fuente de la imagen: ROHM)

El estrecho ancho de emisión de luz y la estabilidad de la longitud de onda de salida de este diodo láser también son fundamentales para mejorar el rendimiento del sistema, ya que permiten utilizar filtros ópticos de paso de banda de longitud de onda estrecha. ROHM afirma que el rango de 225 micrómetros (μm) de este diodo es un 22% menor que el de los dispositivos disponibles de la competencia, lo que permite una mayor resolución y un rango de detección más amplio con alta nitidez del haz, emisividad estrecha y alta densidad óptica.

Estos dos factores mejoran la SNR óptica, lo que permite detectar y evaluar con precisión objetos a gran distancia. Una imagen comparativa de nubes de puntos muestra el impacto positivo de estas especificaciones estrictas y estables en la resolución (Figura 6).

Figura 6: La estabilidad y consistencia de la salida del diodo láser pulsado RLD90QZW3-00A mejora la SNR y la resolución de la nube de puntos. (Fuente de la imagen: ROHM)

Conclusión:

El LiDAR se utiliza ampliamente para captar perspectivas tridimensionales del entorno y cartografiar terrenos. En el núcleo del sistema LiDAR se encuentran los componentes electrónicos y electroópticos que integran las complejas capacidades necesarias para un sistema viable. Para las funciones de fuente óptica, el controlador de compuerta, el FET de conmutación de compuerta y el diodo láser deben ser compatibles en cuanto a tensión, corriente, velocidad y estabilidad para garantizar un rendimiento óptimo.

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