Compreendendo o papel dos acionadores, comutadores e diodos laser para um desempenho LiDAR eficaz

Os sistemas LiDAR (Light detection and ranging) tornaram-se o método preferido para permitir que um automóvel, um veículo autônomo (AGV) ou mesmo um aspirador robótico "veja" o seu entorno. Os drones e as aeronaves que voam mais alto também utilizam o LiDAR para navegar e mapear terrenos a distâncias maiores.

Embora o LiDAR tenha sido bem estudado, os projetistas devem ter muito cuidado ao selecionar os principais componentes como o acionador de porta, o FET de comutação da porta e o diodo laser necessário para criar os pulsos ópticos.

Este artigo apresenta uma panorâmica do LiDAR. Em seguida, apresenta exemplos dos componentes eletro-ópticos críticos e mostra como funcionam em conjunto para gerar os pulsos necessários.

Como funciona o LiDAR

O LiDAR funciona através do envio de um fluxo contínuo de pulsos ópticos curtos e de potência moderada, captando depois as suas reflexões. Mede o tempo de voo (ToF) para criar uma nuvem de pontos do entorno que apresenta uma perspetiva tridimensional (3D) (Figura 1). Muitos sistemas utilizam vários diodos laser numa matriz para uma cobertura de área mais vasta.

Figura 1: A abordagem LiDAR cria uma nuvem de pontos que fornece uma representação 3D do entorno. (Fonte da imagem: Blickfeld GmbH)

A aplicação determina o desempenho de um sistema LiDAR. Um sistema que utiliza um aspirador robótico de movimento lento e área limitada ou um AGV tem requisitos de alcance e resolução angular muito mais flexíveis do que um sistema que utiliza um carro, que tem de lidar com velocidades mais elevadas e responder a veículos, ciclistas ou pedestres. Os números frequentemente citados como objetivos de desempenho de nível superior para aplicações automotivas são um alcance efetivo de 100 m a 200 m e uma resolução angular de 0,1°.

Um galvanômetro eletromecânico de dois eixos percorre os flashes de laser através da área de imagem para obter uma nuvem de pontos precisa. Uma vez que o sistema LiDAR mede o ToF para cada pulso emitido e o seu retorno associado, pode criar uma imagem 3D com a perspetiva de profundidade necessária para que os veículos naveguem com precisão nas suas imediações.

O caminho eletro-óptico no centro do LiDAR

Um sistema LiDAR completo, como o utilizado num AGV, requer um conjunto diversificado de blocos ópticos, analógicos, processadores e mecânicos interligados. No centro do sistema está o caminho eletro-óptico, que inclui uma fonte óptica baseada em laser e um receptor óptico co-posicionado (Figura 2).

Figura 2: O caminho do sinal eletro-óptico e os componentes associados são o coração de um sistema LiDAR (lado direito, fila do meio). (Fonte da imagem: ROHM)

O caminho do sinal da fonte que cria o fluxo de pulsos ópticos é controlado por uma unidade microcontroladora (MCU) dedicada, que determina a taxa e a largura de repetição do pulso óptico desejado. O caminho de origem tem três elementos funcionais fundamentais:

• O acionador de porta fornece pulsos de alta velocidade com tempos de subida e descida rápidos para ligar e desligar o comutador de porta.
• O FET de comutação da porta liga-se e desliga-se de forma nítida para controlar o fluxo de corrente do diodo laser.
• O diodo laser cria pulsos ópticos independentes e não sobrepostos no comprimento de onda pretendido.

A seleção e integração destes componentes requer uma compreensão das questões elétricas, bem como das caraterísticas ópticas, tais como o campo de visão, a potência do diodo laser e a sensibilidade angular do comprimento de onda, além da relação óptica de sinal/ruído (SNR). Os algoritmos de software avançados podem ultrapassar algumas limitações nas vias de sinal eletro-óptico e desafios no ambiente de deteção. No entanto, é prudente escolher componentes optimizados para LiDAR em vez de assumir que estes algoritmos podem compensar as deficiências.

Uma análise de um componente representativo de cada uma destas funções ilustra a forma como os dispositivos optimizados para LiDAR enfrentam os muitos desafios:

O acionador do porta

O BD2311NVX-LBE2 (Figura 3) da ROHM Semiconductor é um acionador de porta de GaN ultrarrápido de um canal, adequado para aplicações industriais como AGVs. Fornece a combinação necessária de corrente e tensão de condução. Apresenta-se num invólucro de 6 pinos com apenas 2,0 mm × 2,0 mm × 0,6 mm e pode fornecer até 5,4 A de corrente de saída com uma faixa de tensão de alimentação de 4,5 V a 5,5 V.

Figura 3: O acionador de porta de um canal BD2311NVX-LBE2 fornece a combinação necessária de corrente e tensão de condução para controlar com precisão um comutador de porta LiDAR. (Fonte da imagem: ROHM)

O BD2311NVX-LBE2 pode acionar transistores de GaN de elevada mobilidade de elétrons (HEMTs) e outros dispositivos de comutação com pulsos de saída estreitos, contribuindo assim para o longo alcance e a elevada precisão do LiDAR. Estes parâmetros relacionados com pulsos incluem uma largura mínima dos pulsos de entrada de 1,25 nanossegundos (ns), um tempo de subida típico de 0,65 ns e um tempo de descida típico de 0,70 ns, tudo com uma carga de 220 picofarad (pF). Os tempos de atraso de ativação e desativação são de 3,4 ns e 3,0 ns, respetivamente.

O FET de comutação da porta

A saída do acionador de porta liga-se à entrada de controle do dispositivo de comutação e controle de corrente. Este dispositivo deve comutar rapidamente entre os estados ligado e desligado, conforme indicado pelo acionador de porta, e lidar com valores de corrente relativamente grandes, normalmente 50 A a 100 A.

O nível de desempenho exigido está disponível utilizando dispositivos como o EPC2252 da EPC, um transistor de potência em GaN de canal N e modo de enriquecimento, qualificado para uso automotivo (AEC-Q101). Apresenta uma mobilidade de elétrons excepcionalmente elevada e um baixo coeficiente de temperatura para uma resistência de condução muito baixa (R_DS(ON)), enquanto a sua estrutura lateral do dispositivo e o diodo de portadores majoritários proporcionam uma carga de porta (Q_G) total excepcionalmente baixa e uma carga de recuperação (Q_RR) nula entre fonte-dreno. O resultado é um dispositivo que pode lidar com tarefas em que uma frequência de comutação muito elevada e um tempo de ativação baixo são benéficos, e onde as perdas no estado ligado dominam.

A tensão de dreno-fonte (V_DS) de 80 V do EPC2252, a R_DS(ON) de 11 miliohms (mΩ) (máximo) e a corrente contínua de dreno (I_D) de 8,2 A contam apenas parte da história. É fácil de usar, exige um acionamento da porta no estado ligado de apenas 5 V, 0 V para o estado desligado e não necessita de uma tensão negativa. Isto simplifica as considerações sobre o acionador e a trilha de alimentação.

Devido ao seu design e à disposição da pastilha, a comutação da porta pode suportar um I_D de 75 A (T_PULSO de 10 microssegundos (µs)) e é encapsulada como uma pastilha passivada medindo 1,5 mm × 1,5 mm com nove pontos de solda de contato (Figura 4). Os efeitos parasitas reduzidos do invólucro-pastilha, como uma capacitância de entrada (C_ISS) de 440 pF (típica), suportam o desempenho de pulsos de alta velocidade com transições rápidas.

Figura 4: O transistor de potência em GaN da EPC2252 fornece a comutação de corrente necessária para diodos laser de alta corrente num invólucro que mede 1,5 × 1,5 mm. (Fonte da imagem: EPC)

O diodo laser

Este é o componente final do caminho óptico e funciona como um transdutor eletro-óptico. Ao contrário das câmaras, que são dispositivos passivos, os diodos laser são fontes ativas e emitem radiação óptica, que é considerada nociva para os olhos humanos em determinadas condições. A intensidade máxima permitida é definida por normas como a EN 60825-1:2014, "Segurança de produtos a laser".

A classificação de segurança de um sistema LiDAR depende da sua potência, ângulo de divergência, duração do pulso, direção de exposição e comprimento de onda. A maioria dos sistemas utiliza um comprimento de onda de 905 nanômetros (nm) ou 1550 nm, cada um oferecendo uma eficiência aceitável e compatibilidade de comprimento de onda entre o laser e um fotodiodo adequado. Em geral, um laser de 1550 nm pode emitir com segurança mais potência do que um laser de 905 nm antes de ser considerado inseguro. No entanto, os lasers de 905 nm são populares porque são mais econômicos.

Para um comprimento de onda de 905 nm, o RLD90QZW3-00A da ROHM é um diodo de laser pulsado, optimizado para aplicações LiDAR. Suporta uma saída de 75 W a uma corrente direta (I_F) de 23 A e proporciona um desempenho superior em três parâmetros: largura do feixe (divergência), estreiteza do comprimento de onda do feixe e estabilidade do feixe.

A divergência do feixe define o espalhamento do feixe devido à difração. O RLD90QZW3-00A especifica valores típicos de 25° no plano perpendicular (θ_⊥) e 12° no seu plano paralelo (θ_//) (Figura 5). A estabilidade da temperatura de saída do laser é de 0,15 nm por grau Celsius (nm/°C).

Figura 5: O diodo de laser pulsado RLD90QZW3-00A tem valores típicos de divergência do feixe de 25° no plano perpendicular (esquerda) e 12° no plano paralelo (direita). (Fonte da imagem: ROHM)

A estreita largura de emissão de luz e a estabilidade do comprimento de onda de saída deste diodo laser são também fundamentais para um melhor desempenho do sistema, uma vez que permitem a utilização de filtros passa-faixa ópticos de comprimento de onda estreito. A ROHM afirma que a faixa de 225 micrômetros (μm) deste diodo é 22% menor do que a dos dispositivos concorrentes disponíveis, suportando assim uma maior resolução e uma faixa de deteção mais ampla com elevada nitidez do feixe, emissividade estreita e elevada densidade óptica.

Estes dois fatores melhoram a SNR óptica, permitindo a deteção e avaliação precisas de objetos a uma distância prolongada. Uma imagem comparativa da nuvem de pontos mostra o impacto positivo destas especificações rigorosas e estáveis na resolução (Figura 6).

Figura 6: A estabilidade e a consistência da saída do diodo de laser pulsado RLD90QZW3-00A permite uma melhor SNR e resolução da nuvem de pontos. (Fonte da imagem: ROHM)

Conclusão

O LiDAR é amplamente utilizado para captar perspectivas 3D de ambientes e mapear terrenos. No centro do sistema LiDAR estão os componentes eletrônicos e eletro-ópticos que integram as capacidades complexas, necessárias para um sistema viável. Para as funções de óptica-fonte, o acionador de porta, o FET de comutação de porta e o diodo laser devem ser compatíveis em termos de tensão, corrente, velocidade e estabilidade para garantir um desempenho ideal.

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