Guia rápido sobre FETs de GaN para LiDAR em veículos autônomos

As aplicações do LiDAR (Light detection and ranging) incluem veículos autônomos, drones, automação de armazéns e agricultura de precisão. Os seres humanos estão presentes na maioria dessas aplicações, o que gera preocupações sobre o potencial do laser LiDAR de causar danos aos olhos. Para evitar ferimentos, os sistemas LiDAR automotivos devem atender aos requisitos de segurança da Classe 1 da norma IEC 60825-1 em potências de transmissão de até 200 watts.

A solução comum usa um pulso de 1 a 2 nanossegundos (ns) em uma taxa de repetição de 1 a 2 megahertz (MHz). Isso é um desafio, pois é necessário um microcontrolador ou outro circuito integrado (CI) digital de grande porte para controlar o diodo laser, mas que não pode acioná-lo diretamente, portanto, é necessário adicionar um circuito acionador de porta. Além disso, esse projeto de acionador de porta deve ser otimizado para garantir que o desempenho do sistema LiDAR seja adequado ao nível 3 da Society of Automotive Engineers (SAE) e aos sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS) superiores.

Projetar um acionador de porta de alta potência e alto desempenho que atenda aos requisitos de segurança da norma IEC 60825-1 usando componentes discretos é complexo e demorado, o que pode aumentar o custo e estender o tempo de colocação no mercado. Para enfrentar esses desafios, os projetistas podem recorrer a CIs acionadores de porta integrados e de alta velocidade, emparelhados com transistores de efeito de campo (FETs) de potência de nitreto de gálio (GaN). O uso de uma solução integrada minimiza os parasitas que degradam a integridade do sinal de acionamento, especialmente na malha de potência do laser de alta corrente, e permite posicionar o acionador de alta corrente próximo aos interruptores de potência, minimizando o efeito do ruído de comutação de alta frequência.

Este artigo fornece uma breve introdução ao LiDAR. Discute as aplicações e os requisitos de segurança antes de analisar os desafios de projetar o LiDAR automotivo, com foco na malha de potência do laser de alta corrente. Em seguida, apresenta as soluções LiDAR da Efficient Power Conversion (EPC), Excelitas Technologies, ams OSRAM e Texas Instruments, incluindo FETs de potência GaN, acionadores de porta e diodos laser, juntamente com placas de teste e orientação de implementação para acelerar o processo de desenvolvimento.

Como o LiDAR funciona

Os sistemas LiDAR medem o tempo de voo de ida e volta (ToF) (Δt) de um pulso de feixe de laser para calcular a distância de um objeto (Figura 1). A distância (d) pode ser calculada usando a fórmula d = c x Δt/2, em que c é a velocidade da luz no ar. As curtas durações de pulso são um dos segredos do LiDAR. Considerando que a velocidade da luz é de aproximadamente 30 centímetros por ns (cm/ns), um pulso LiDAR de 1 ns tem um comprimento de cerca de 30 cm. Isso coloca um limite inferior de cerca de 15 cm no tamanho mínimo do elemento que pode ser detectado. Como resultado, os pulsos LiDAR devem ser limitados a alguns nanossegundos para ter uma resolução útil para ambientes em escala humana.

Figura 1: o LiDAR usa medições de ToF para detectar objetos e determinar sua distância. (Fonte da imagem: ams OSRAM)

A largura do pulso, a potência de pico, a frequência de repetição e o ciclo de trabalho são as principais especificações do LiDAR. Por exemplo, um diodo laser típico usado em um sistema LiDAR pode ter uma largura de pulso de 100 ns ou menos, uma potência de pico de >100 watts, uma frequência de repetição de 1 quilohertz (kHz) ou mais e um ciclo de trabalho de 0,2%. Quanto maior a potência de pico, maior o alcance de detecção do LiDAR, mas a dissipação térmica é uma contra-partida. Para uma largura de pulso de 100 ns, o ciclo de trabalho médio geralmente é limitado de 0,1% a 0,2% para evitar o superaquecimento do laser. As larguras de pulso mais curtas também contribuem para a segurança do LiDAR.

A norma IEC 60825-1 define a segurança do laser em termos de exposição máxima permitida (MPE), que é a maior densidade de energia ou potência de uma fonte de luz com potencial insignificante de causar danos aos olhos. Para ser insignificante, o nível de potência de MPE é limitado a aproximadamente 10% da densidade de energia, que tem 50% de possibilidade de causar danos aos olhos. Com um nível de potência constante, as larguras de pulso mais curtas têm uma densidade de energia média menor e são mais seguras.

Embora uma única medição LiDAR de ToF possa determinar a distância de um objeto, milhares ou milhões de medições LiDAR de ToF podem ser usadas para criar uma nuvem tridimensional de pontos (3-D) (Figura 2). Uma nuvem de pontos é uma coleção de pontos de dados que armazenam grandes quantidades de informações chamadas componentes. Cada componente contém um valor que descreve um atributo. Os componentes podem incluir coordenadas x, y e z, e informações sobre a intensidade, a cor e o tempo (para medir o movimento do objeto). As nuvens de pontos LiDAR criam um modelo 3D em tempo real da área-alvo.

Figura 2: os sistemas LiDAR combinam um grande número de medições de ToF para criar nuvens de pontos em 3D e imagens de uma área-alvo. (Fonte da imagem: EPC)

Uso de FETs de GaN para alimentar lasers LiDAR

Os FETs de GaN comutam muito mais rapidamente do que seus equivalentes de silício, o que os torna adequados para aplicações LiDAR que exigem larguras de pulso muito estreitas. Por exemplo, o EPC2252 da EPC é um FET de GaN de 80 volts com qualificação automotiva AEC-Q101, capaz de pulsos de corrente de até 75 amperes (A) (Figura 3). O EPC2252 tem uma resistência máxima de ativação (RDS_(on)) de 11 miliohms (mΩ), uma carga de porta total máxima (Q_g) de 4,3 nanocoulombs (nC) e carga de recuperação dreno-fonte zero (Q_RR).

O CI é fornecido como DSBGA (die-size ball grid array). Isso significa que a matriz de passivação é fixada diretamente nas esferas de solda sem nenhum outro invólucro. Como resultado, os chips DSBGA têm o mesmo tamanho da matriz de silício, minimizando seu fator de forma. Nesse caso, o EPC2252 usa uma implementação 9-DSBGA que mede 1,5 x 1,5 milímetros (mm). Ele tem uma resistência térmica de 8,3 °C por watt (˚C/W) da junção à placa, o que o torna adequado para sistemas de alta densidade.

Figura 3: o FET de GaN EPC2252 tem qualificação AEC-Q101 e é adequado para acionar diodos laser em sistemas LiDAR automotivos. (Fonte da imagem: EPC)

Os projetistas podem usar a placa de desenvolvimento EPC9179 da EPC para um início rápido, empregando o EPC2252 em sistemas LiDAR com larguras de pulso totais de 2 a 3 ns (Figura 4). O EPC9179 inclui um acionador de porta LMG1020 da Texas Instruments que pode ser controlado por um sinal externo ou por um gerador de pulso estreito integrado (com precisão de sub nanossegundos).

Figura 4: aqui é mostrada a placa de demonstração EPC9179 para o FET de GaN EPC2252 e outros componentes importantes. (Fonte da imagem: EPC)

A placa de desenvolvimento é fornecida com uma placa interposer EPC9989 composta por interposers de 5 x 5 mm (Figura 5). Eles correspondem às pegadas de montagem de muitos diodos laser comuns de montagem em superfície, como SMD e MMCX, bem como aos padrões projetados para acomodar conectores de RF e uma ampla variedade de outras cargas.

Figura 5: a placa interposer EPC9989 oferece uma coleção de interposers, como o interposer laser SMD mostrado no canto superior direito, que pode ser destacado para uso com a placa de demonstração EPC9179. (Fonte da imagem: EPC)

O laser pulsado TPGAD1S09H da Excelitas Technologies (Figura 6), que emite a 905 nanômetros (nm), pode ser usado com a placa interposer EPC9989. Esse diodo laser usa um chip monolítico multicamadas montado em um suporte laminado sem terminais para oferecer excelente desempenho térmico com um coeficiente de temperatura de comprimento de onda (Δλ/ΔT) de 0,25 nm/°C. Esse laser de poço quântico suporta tempos de subida e descida de <1 ns com um acionador apropriado. O TPGAD1S09H pode ser usado em aplicações de montagem em superfície e integração híbrida. Ele pode emitir luz paralela ou perpendicularmente ao plano de montagem, e o encapsulamento de resina epóxi permite a fabricação de baixo custo e alto volume.

Figura 6: o laser pulsado TPGAD1S09H produz pulsos de pico muito altos e pode emitir luz paralela ou perpendicular em relação ao plano de montagem. (Fonte da imagem: Excelitas)

O SPL S1L90A_3 A01 da ams OSRAM (Figura 7) é outro exemplo de diodo laser que pode ser usado com a placa interposer EPC9989. Esse módulo laser de 908 nm de canal único pode fornecer pulsos que variam de 1 a 100 ns com uma potência de saída de pico de 120 watts. Ele suporta uma faixa de temperatura operacional de -40 a +105 °C com um ciclo de trabalho de 0,2% e é fornecido em um invólucro QFN compacto medindo 2,0 x 2,3 x 0,69 mm.

Figura 7: o diodo laser SPL S1L90A_3 A01 produz pulsos que variam de 1 a 100 ns e pode ser usado com a placa interposer EPC9989. (Fonte da imagem: ams OSRAM)

Para sistemas LiDAR que exigem larguras de pulso extremamente estreitas, os projetistas podem recorrer ao LMG1025-Q1 da Texas Instruments, que é um acionador de porta do lado de baixa de canal único com capacidade de largura de pulso de saída de 1,25 ns que permite sistemas LiDAR potentes que atendam aos requisitos de segurança da Classe 1 da norma IEC 60825-1. Sua capacidade de largura de pulso estreita, comutação rápida e distorção de pulso de 300 picossegundos (ps) permitem medições precisas de ToF de LiDAR de longo alcance.

Um atraso de propagação de 2,9 ns melhora o tempo de resposta da malha de controle, e o invólucro QFN de 2 x 2 mm minimiza a indutância parasita, suportando chaveamento de alta corrente e baixo zumbido em circuitos de acionamento LiDAR de alta frequência. O LMG1025-Q1EVM é um módulo de teste para o LMG1025-Q1 que tem um local para acomodar uma carga resistiva para representar um diodo laser típico ou para montar um diodo laser após o ajuste do pulso de acionamento com uma carga resistiva (Figura 8).

Figura 8: a placa de demonstração LMG1025-Q1EVM pode acomodar uma carga resistiva representando um diodo laser típico para a configuração inicial. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Conclusão

Os projetistas são cada vez mais desafiados a desenvolver sistemas LiDAR automotivos que forneçam medições ToF em tempo real com resolução de centímetros e que atendam aos requisitos de segurança da Classe 1 da norma IEC 60825-1. Conforme demonstrado, os FETs de GaN podem ser usados com uma variedade de diodos laser para produzir as larguras de pulso de nanossegundos e os altos níveis de potência de pico necessários no LiDAR automotivo de alto desempenho.

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