Por Kengo Ohmori, ROHM Semiconductor
Conozca los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) de nitruro de galio (GaN) y cómo pueden utilizarse en aplicaciones LiDAR (Light Detection And Ranging).
LiDAR se basa en el principio de estimación de la distancia proyectando un haz de luz sobre un objeto y midiendo con precisión el tiempo de vuelo de la señal reflejada. Mediante la exploración de la luz emitida a través de una escena del mundo real, se pueden recopilar representaciones en 3D para su posterior procesamiento por un sistema informático. Las aplicaciones para LiDAR son numerosas y no dejan de aumentar, incluyendo la topografía aérea, el escaneado de objetos para modelado 3D y el control autónomo de vehículos.
A este respecto, el presente artículo tiene el objetivo de presentar en primer lugar algunos de los componentes clave de un sistema LiDAR de alto rendimiento antes de mostrar los circuitos primarios y proporcionar ejemplos de simulación de las dos topologías de diseño diferentes de los HEMT de GaN: onda cuadrada de doble borde y circuitos resonantes de un solo borde.
Diodos láser de impulsos de alta potencia para LiDAR
La fuente de luz más habitual en los sistemas LiDAR es un diodo láser pulsado de alta potencia, que habitualmente se centra en una longitud de onda fuera del rango de absorción del ojo humano. La calidad de los haces producidos por estos láseres es de importancia fundamental para la resolución de los sistemas LiDAR. Como se muestra en la Figura 1, la resolución puede mejorarse significativamente utilizando dispositivos de alta potencia y área de emisión nítida.
Figura 1. Los diodos láser de alta potencia mejoran la resolución de la detección LiDAR 3D.
Por ejemplo, ROHM Semiconductor ofrece diodos láser con una potencia de salida de cresta de hasta 120 W a 905 nm para su uso con LiDAR y localización y mapeo simultáneos (SLAM, por sus siglas en inglés).
Conmutadores semiconductores para la generación de impulsos LiDAR
Para crear impulsos de luz para LiDAR, estos láseres deben accionarse mediante un conmutador semiconductor. Una vez más, la calidad del conmutador afecta directamente a la resolución de la imagen LiDAR y se caracteriza normalmente por el tiempo de actividad, la corriente de cresta y la pérdida de conmutación.
Un ejemplo de tecnología para conmutadores LiDAR es el transistor de alta movilidad de electrones (HEMT), fabricado con nitruro de galio (GaN). En comparación con los dispositivos de silicio tradicionales, estos conmutadores pueden exhibir velocidades extremadamente rápidas y hasta un 65 % menos de pérdida de potencia, como muestra la Figura 2.
Figura 2. Pérdida de conmutación de los HEMT en comparación con los transistores de silicio tradicionales.
Para las aplicaciones de alta potencia que incluyen LiDAR, existen dispositivos HEMT de GaN para soportar varios niveles de potencia y tensiones de funcionamiento del sistema. Por ejemplo, la gama de HEMT de GaN disponible en ROHM Semiconductor incluye modelos de 150 V y 650 V.
Controladores de compuerta (Gate drivers) de HEMT
Para aprovechar la velocidad de los dispositivos HEMT, sus compuertas deben accionarse adecuadamente con una señal de alta velocidad. En la parte delantera de la etapa de salida LiDAR se encuentra el controlador de compuerta HEMT, como se muestra en la Figura 3.
Figura 3. Utilización de un CI de controlador de compuerta de alta velocidad especializado para circuitos HEMT.
Estos controladores están especialmente diseñados para proporcionar la tensión de polarización y la velocidad adecuadas para interactuar con transistores HEMT de GaN, a la vez que ofrecen funciones prácticas como salidas dobles y control de activación de salida.
Construir un sistema LiDAR con todas estas piezas optimizadas para controlar, conducir y generar los impulsos luminosos de salida garantiza una mayor resolución en la imagen de salida final. Sin embargo, la topología exacta del circuito para una aplicación concreta suele elegirse entre uno de los dos tipos siguientes: onda cuadrada de doble borde o resonante de un solo borde.
Circuito HEMT de GaN de onda cuadrada y doble borde
El método más sencillo para la emisión de impulsos de un diodo láser es controlar la corriente utilizando un conmutador de serie, como se muestra en el esquema de simulación de la Fig. 4.
Figura 4. Esquema de simulación utilizando una configuración de controlador (Gate driver) HEMT de onda cuadrada.
En la figura anterior, U1 es un HEMT de GaN que disipa directamente la corriente de la fuente de alimentación Vin a través de un diodo láser de 35 W RLD90QZWD. Cuando la compuerta de U1 se acciona a nivel alto, el láser se enciende, y cuando se acciona a nivel bajo, el láser se apaga. Estos dos bordes controlan la anchura de impulso de la salida óptica, de ahí el término «doble borde» o configuración de onda cuadrada.
La forma de onda simulada para este esquema de control se muestra en la Figura 5, donde la tensión de compuerta en el HEMT se representa en color rojo y la corriente a través del HEMT en color verde.
Figura 5. Tensión de compuerta (en rojo) y corriente de drenaje (en verde) utilizando un controlador de compuerta (Gate driver) HEMT de onda cuadrada.
En la Figura 6, la potencia de salida óptica del diodo láser se indica en color azul.
Figura 6. Potencia de salida óptica utilizando un controlador de compuerta (Gate driver) HEMT de onda cuadrada.
Aunque este tipo de controlador puede ser fácil de implementar y ofrece flexibilidad en la anchura de impulsos de salida, presenta a su vez varios inconvenientes que lo convierten en una opción poco popular para LiDAR de alto rendimiento.
- La velocidad de encendido del láser está directamente limitada por la velocidad de encendido del HEMT y la inductancia en serie del circuito.
- La forma del impulso es asimétrica, y tanto los bordes de encendido como los de apagado requieren una cuidadosa consideración del tiempo.
A pesar de estos inconvenientes, ambas características pueden mejorarse utilizando la configuración resonante más popular.
Circuito HEMT de GaN resonante de un solo borde
Como se muestra en el esquema de simulación de la Figura 7, la topología resonante sitúa al HEMT en un papel completamente distinto.
Figura 7. Esquema de simulación de un controlador de puerta (Gate driver) HEMT de configuración resonante.
En lugar de controlar la corriente directamente a través del láser, el HEMT (U1) se utiliza para lanzar una descarga resonante a través de la inductancia L1 y el condensador C2. De este modo, solo es importante el borde de entrada de la señal de control, ya que la anchura de impulso está totalmente determinada por el circuito LC en serie con el láser.
La tensión de compuerta y la corriente de drenaje de la configuración resonante se muestran en la Figura 8, mientras que la potencia de salida óptica se ilustra en la Figura 9.
Figura 8. Tensión de compuerta (en rojo) y corriente de drenaje (en verde) utilizando una configuración resonante.
Figura 9. Potencia de salida óptica utilizando una configuración resonante
Como muestran estas figuras, el borde ascendente del accionamiento de compuerta inicia la descarga de la energía almacenada en C2 a través del láser. Es importante destacar que la anchura de impulso de la señal láser no está relacionada con el borde descendente de la señal de compuerta.
En comparación con su equivalente de onda cuadrada, el diseño resonante ofrece varias ventajas únicas:
- La resonancia LC permite impulsos mucho más estrechos con una simetría bien definida, un factor importante para LiDAR en particular.
- La inductancia en serie parásita dentro de los componentes y el cableado del circuito se puede utilizar como parte de la resonancia LC. En lugar de obstaculizar la velocidad, como en el diseño de onda cuadrada, la inductancia total puede ajustarse para un rendimiento óptimo.
- La energía del impulso láser es solo un factor de la tensión de entrada. Esto permite un control preciso sin tener en cuenta la temporización del accionamiento de compuerta en aplicaciones en las que la energía total es decisiva.
La contrapartida de todas estas ventajas es la complejidad del diseño de las condiciones de resonancia. Debe modelarse la inductancia de fuga, con el posicionamiento físico y la disposición de componentes y trazas de factores importantes que afectan al rendimiento general. Una herramienta útil que puede ayudar a diseñar estos circuitos es el simulador de circuitos en línea de ROHM Semiconductor, que incluye topologías de controladores prehabilitadas.
Como ejemplo del impacto de la inductancia de fuga, las simulaciones de las Figuras 7 a 9 se repitieron con un término L2 aumentado para comprobar cómo se veía afectada la salida óptica. Además, como se muestra en la Figura 10, cuando L2 se incrementa de 3 a 6 nH, la potencia pico de salida se redujo en un 26 %, mientras que la anchura de impulso aumentó casi un 50 %.
Figura 10. La potencia óptica de salida de la configuración resonante con inductancia en serie aumentada (L2)
La sensibilidad a estos parámetros a menudo requiere que el circuito se modele con antelación, y es probable que se realicen múltiples iteraciones de diseño y comprobación. Además, en aplicaciones en las que no se requiere un impulso corto o se prefiere una anchura de impulso variable, no se pueden emplear las ventajas resonantes.
Seleccione la topología correcta para satisfacer sus requisitos LiDAR
A medida que LiDAR y otras tecnologías similares de medición de distancias se hacen cada vez más populares, los dispositivos subyacentes también deben evolucionar para satisfacer unos requisitos de rendimiento cada vez mayores. Al mismo tiempo, los ingenieros deben conocer las distintas metodologías y herramientas de diseño disponibles para lograr el éxito en cualquier aplicación concreta.
Como ya hemos comentado, los circuitos resonantes de un solo borde a menudo ofrecen mejores prestaciones para estas aplicaciones de conmutación HEMT de GaN de alta velocidad, pero a costa de una mayor complejidad de diseño. Si su aplicación no requiere este nivel superior de sofisticación, la topología de circuito de onda cuadrada de doble borde aporta una solución más sencilla.
Todas las imágenes utilizadas son cortesía de ROHM Semiconductor
