Von Kengo Ohmori, ROHM Semiconductor
Erfahren Sie mehr über Galliumnitrid (GaN) High Electron Mobility Transistors (HEMT) und wie sie in Light Detection And Ranging (LiDAR)-Anwendungen eingesetzt werden können.
LiDAR basiert auf dem Prinzip der Entfernungsschätzung, indem ein Lichtstrahl auf ein Objekt projiziert und die Flugzeit des reflektierten Signals genau gemessen wird. Durch Scannen des durch eine reale Szene emittierten Lichts können 3D-Darstellungen für die weitere Verarbeitung durch ein Computersystem gesammelt werden. Die Anwendungen für LiDAR sind zahlreich und nehmen stetig zu, darunter Luftvermessung, Objektscannen für die 3D-Modellierung und autonome Fahrzeugsteuerung.
In diesem Zusammenhang zielt der vorliegende Artikel darauf ab, zunächst einige der Schlüsselkomponenten eines Hochleistungs-LiDAR-Systems vorzustellen, bevor die Primärschaltkreise gezeigt und Simulationsbeispiele für die beiden unterschiedlichen Designtopologien von GaN-HEMTs bereitgestellt werden: - Doppelkanten-Rechteckwelle und Einzelkanten- Resonanzkreise.
Gepulste Hochleistungslaserdioden für LiDAR
Die häufigste Lichtquelle in LiDAR-Systemen ist a Diodo gepulster Hochleistungslaser, der meist auf eine Wellenlänge außerhalb des Absorptionsbereichs des menschlichen Auges fokussiert ist. Die Qualität der von diesen Lasern erzeugten Strahlen ist für die Auflösung von LiDAR-Systemen von grundlegender Bedeutung. Wie in Abbildung 1 dargestellt, kann die Auflösung durch den Einsatz von Geräten mit hoher Leistung und scharfem Emissionsbereich erheblich verbessert werden.
Abbildung 1. Hochleistungslaserdioden verbessern die Auflösung der 3D-LiDAR-Erkennung.
ROHM Semiconductor bietet beispielsweise Laserdioden mit einer Spitzenausgangsleistung von bis zu 120 W bei 905 nm für den Einsatz mit LiDAR und Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) an.
Halbleiterschalter für die LiDAR-Impulserzeugung
Um Lichtimpulse für LiDAR zu erzeugen, müssen diese Laser durch einen Halbleiterschalter angesteuert werden. Auch hier wirkt sich die Schaltqualität direkt auf die LiDAR-Bildauflösung aus und wird typischerweise durch Einschaltzeit, Spitzenstrom und Schaltverlust charakterisiert.
Ein Beispiel für eine Technologie für LiDAR-Schalter ist der High Electron Mobility Transistor (HEMT) aus Galliumnitrid (GaN). Im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumgeräten können diese Schalter extrem hohe Geschwindigkeiten und bis zu 65 % weniger Leistungsverluste aufweisen, wie Abbildung 2 zeigt.
Abbildung 2. Schaltverlust von HEMTs im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumtransistoren.
Für Hochleistungsanwendungen, einschließlich LiDAR, sind GaN-HEMT-Geräte erhältlich, die verschiedene Leistungsstufen und Systembetriebsspannungen unterstützen. Das Angebot an GaN-HEMTs von ROHM Semiconductor umfasst beispielsweise 150-V- und 650-V-Modelle.
HEMT-Gate-Treiber
Um die Geschwindigkeit von HEMT-Geräten nutzen zu können, müssen ihre Gates ordnungsgemäß durch ein Hochgeschwindigkeitssignal betätigt werden. An der Vorderseite der LiDAR-Ausgangsstufe befindet sich der HEMT-Gate-Treiber, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Abbildung 3. Verwendung eines speziellen Hochgeschwindigkeits-Gate-Treiber-ICs für HEMT-Schaltungen.
Diese Treiber wurden speziell entwickelt, um die richtige Vorspannung und Geschwindigkeit für die Verbindung mit GaN-HEMT-Transistoren bereitzustellen und bieten gleichzeitig praktische Funktionen wie zwei Ausgänge und Ausgangs-Gating-Steuerung.
Der Aufbau eines LiDAR-Systems, bei dem alle diese Teile für die Steuerung, Ansteuerung und Erzeugung der Ausgangslichtimpulse optimiert sind, gewährleistet eine höhere Auflösung im endgültigen Ausgabebild. Allerdings wird die genaue Schaltungstopologie für eine bestimmte Anwendung normalerweise aus einem von zwei Typen ausgewählt: Doppelflanken-Rechteckwelle oder Einzelflanken-Resonanz.
Doppelkanten-Rechteckwellen-GaN-HEMT-Schaltung
Die einfachste Methode zum Pulsen einer Laserdiode besteht darin, den Strom über einen Serienschalter zu steuern, wie im Simulationsschema in Abb. 4 dargestellt.
Abbildung 4. Simulationsschema mit einer Rechteckwellen-HEMT-Gate-Treiberkonfiguration.
In der Abbildung oben ist U1 ein GaN-HEMT, der den Stromversorgungsstrom Vin direkt über eine 35-W-Laserdiode RLD90QZWD ableitet. Wenn das Gate von U1 auf hohem Niveau betätigt wird, wird der Laser eingeschaltet, und wenn es auf niedrigem Niveau betätigt wird, wird der Laser ausgeschaltet. Diese beiden Flanken steuern die Impulsbreite des optischen Ausgangs, daher der Begriff „Doppelflanke“ oder Rechteckwellenkonfiguration.
Die simulierte Wellenform für dieses Steuerschema ist in Abbildung 5 dargestellt, wo die Gate-Spannung am HEMT in Rot und der Strom durch den HEMT in Grün dargestellt sind.
Abbildung 5. Gate-Spannung (rot) und Drain-Strom (grün) unter Verwendung eines Rechteckwellen-HEMT-Gate-Treibers.
In Abbildung 6 ist die optische Ausgangsleistung der Laserdiode blau dargestellt.
Abbildung 6. Optische Ausgangsleistung mit einem Rechteckwellen-HEMT-Gate-Treiber.
Obwohl dieser Controller-Typ einfach zu implementieren ist und Flexibilität bei der Ausgangsimpulsbreite bietet, weist er mehrere Nachteile auf, die ihn zu einer unbeliebten Wahl für Hochleistungs-LiDAR machen.
- Die Einschaltrate des Lasers wird direkt durch die HEMT-Einschaltrate und die Serieninduktivität der Schaltung begrenzt.
- Die Impulsform ist asymmetrisch und sowohl die Ein- als auch die Ausschaltflanke erfordern eine sorgfältige zeitliche Abwägung.
Trotz dieser Nachteile können beide Eigenschaften durch die Verwendung der gängigeren Resonanzkonfiguration verbessert werden.
Single-Edge-Resonanz-GaN-HEMT-Schaltkreis
Wie im Simulationsschema in Abbildung 7 dargestellt, übernimmt die Resonanztopologie den HEMT in eine völlig andere Rolle.
Abbildung 7. Simulationsschema eines HEMT-Gate-Treibers mit Resonanzkonfiguration.
Anstatt den Strom direkt durch den Laser zu steuern, wird der HEMT (U1) verwendet, um eine Resonanzentladung über die Induktivität L1 und den Kondensator C2 auszulösen. Somit ist nur die Vorderflanke des Steuersignals wichtig, da die Impulsbreite vollständig durch die LC-Schaltung in Reihe mit dem Laser bestimmt wird.
Die Gate-Spannung und der Drain-Strom der Resonanzkonfiguration sind in Abbildung 8 dargestellt, während die optische Ausgangsleistung in Abbildung 9 dargestellt ist.
Abbildung 8. Gate-Spannung (in Rot) und Drain-Strom (in Grün) unter Verwendung einer Resonanzkonfiguration.
Abbildung 9. Optische Ausgangsleistung bei Verwendung einer Resonanzkonfiguration
Wie diese Abbildungen zeigen, leitet die steigende Flanke des Gate-Antriebs die Entladung der in C2 gespeicherten Energie durch den Laser ein. Wichtig ist, dass die Impulsbreite des Lasersignals nicht von der abfallenden Flanke des Gate-Signals abhängt.
Im Vergleich zu seinem Rechteckwellen-Äquivalent bietet das Resonanzdesign mehrere einzigartige Vorteile:
- LC-Resonanz ermöglicht viel schmalere Pulse mit wohldefinierter Symmetrie, ein wichtiger Faktor insbesondere für LiDAR.
- Parasitäre Serieninduktivitäten innerhalb von Schaltungskomponenten und Verkabelungen können als Teil der LC-Resonanz genutzt werden. Anstatt die Geschwindigkeit zu behindern, wie beim Rechteckwellendesign, kann die Gesamtinduktivität für eine optimale Leistung angepasst werden.
- Die Energie des Laserpulses ist nur ein Faktor der Eingangsspannung. Dies ermöglicht eine präzise Steuerung ohne Rücksicht auf den Gate-Antriebszeitpunkt in Anwendungen, bei denen die Gesamtenergie entscheidend ist.
Das Gegenstück zu all diesen Vorteilen ist die Komplexität der Gestaltung der Resonanzbedingungen. Die Streuinduktivität muss modelliert werden, wobei die physische Positionierung und Anordnung der Komponenten sowie Spuren wichtiger Faktoren berücksichtigt werden müssen, die sich auf die Gesamtleistung auswirken. Ein nützliches Tool, das beim Entwurf dieser Schaltkreise helfen kann, ist der Online-Schaltkreissimulator von ROHM Semiconductor, der vorab aktivierte Treibertopologien enthält.
Als Beispiel für den Einfluss der Streuinduktivität wurden die Simulationen in den Abbildungen 7 bis 9 mit einem erhöhten L2-Term wiederholt, um zu sehen, wie sich dies auf die optische Ausgabe auswirkt. Darüber hinaus wurde, wie in Abbildung 10 dargestellt, bei einer Erhöhung von L2 von 3 auf 6 nH die Spitzenausgangsleistung um 26 % reduziert, während die Impulsbreite um fast 50 % zunahm.
Abbildung 10. Die optische Leistungsabgabe der Resonanzkonfiguration mit erhöhter Serieninduktivität (L2)
Die Empfindlichkeit gegenüber diesen Parametern erfordert oft, dass die Schaltung im Voraus modelliert wird und wahrscheinlich mehrere Entwurfs- und Testiterationen durchgeführt werden. Darüber hinaus können in Anwendungen, in denen kein kurzer Impuls erforderlich ist oder eine variable Impulsbreite bevorzugt wird, resonante Vorteile nicht genutzt werden.
Wählen Sie die richtige Topologie aus, um Ihre LiDAR-Anforderungen zu erfüllen
Da LiDAR und ähnliche Entfernungsmesstechnologien immer beliebter werden, müssen sich auch die zugrunde liegenden Geräte weiterentwickeln, um den steigenden Leistungsanforderungen gerecht zu werden. Gleichzeitig müssen Ingenieure die verschiedenen verfügbaren Entwurfsmethoden und -werkzeuge verstehen, um in einer bestimmten Anwendung erfolgreich zu sein.
Wie wir bereits besprochen haben, bieten Single-Edge-Resonanzkreise oft eine bessere Leistung für diese Hochgeschwindigkeits-GaN-HEMT-Schaltanwendungen, allerdings auf Kosten einer höheren Designkomplexität. Wenn Ihre Anwendung diesen höheren Grad an Komplexität nicht erfordert, bietet die Dual-Edge-Rechteckwellenschaltungstopologie eine einfachere Lösung.
Alle verwendeten Bilder sind mit freundlicher Genehmigung von ROHM Semiconductor
