Die Rolle von Treibern, Schaltern und Laserdioden für eine effektive LiDAR-Performance

Systeme zur lichtgestützten Objekterkennung und Entfernungsmessung (Light Detection and Ranging, LiDAR) sind zur bevorzugten Methode geworden, um ein Auto, ein fahrerloses Transportsystem (AGV) oder sogar einen Staubsaugerroboter in die Lage zu versetzen, seine Umgebung zu „sehen“. Drohnen und höher fliegende Flugzeuge nutzen LiDAR auch zur Navigation und zur Kartierung des Geländes über größere Entfernungen.

Obwohl LiDAR gut erforscht ist, muss bei der Auswahl von Schlüsselkomponenten wie dem Gate-Treiber, dem Gate-Switch-FET und der Laserdiode, die zur Erzeugung der optischen Impulse erforderlich sind, sehr sorgfältig vorgegangen werden.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über LiDAR. Anschließend werden Beispiele für die entscheidenden elektro-optischen Komponenten vorgestellt und gezeigt, wie sie zusammenarbeiten, um die erforderlichen Impulse zu erzeugen.

Wie LiDAR funktioniert

LiDAR sendet einen kontinuierlichen Strom von kurzen optischen Impulsen mittlerer Leistung aus und erfasst dann deren Reflektionen. Es misst die Laufzeit (Time-of-Flight, ToF), um eine Punktwolke der Umgebung zu erstellen, die eine dreidimensionale (3D) Perspektive darstellt (Abbildung 1). Viele Systeme verwenden mehrere Laserdioden in einer Matrix, um einen größeren Bereich abzudecken.

Abbildung 1: Das LiDAR-Verfahren erzeugt eine Punktwolke, die ein 3D-Rendering der Umgebung liefert. (Bildquelle: Blickfeld GmbH)

Die Anwendung bestimmt die Performance eines LiDAR-Systems. Ein System, das für einen langsam fahrenden, räumlich begrenzten Staubsaugerroboter oder ein FTS verwendet wird, hat wesentlich geringere Anforderungen an Reichweite und Winkelauflösung als ein System, das in einem Auto eingesetzt wird, das mit höheren Geschwindigkeiten zurechtkommen und auf Fahrzeuge, Radfahrer oder Fußgänger reagieren muss. Als oberste Performanceziele für Automobilanwendungen werden häufig eine effektive Reichweite von 100 m bis 200 m und eine Winkelauflösung von 0,1° genannt.

Ein zweiachsiges elektromechanisches Galvanometer tastet die Laserblitze über den Bildbereich ab, um eine präzise Punktwolke zu erhalten. Da das LiDAR-System die Laufzeit für jeden ausgesendeten Impuls und den zugehörigen Rücklauf misst, kann es ein 3D-Bild mit der Tiefenperspektive erstellen, die die Fahrzeuge benötigen, um sich in ihrer Umgebung genau zu orientieren.

Der elektro-optische Pfad als Herzstück von LiDAR

Ein komplettes LiDAR-System, wie es in einem FTS verwendet wird, erfordert eine Reihe von miteinander verbundenen optischen, analogen, prozessorgesteuerten und mechanischen Blöcken. Das Herzstück des Systems ist der elektro-optische Pfad, der aus einer laserbasierten optischen Quelle und einem parallel angeordneten optischen Empfänger besteht (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der elektro-optische Signalpfad und die zugehörigen Komponenten sind das Herzstück eines LiDAR-Systems (rechte Seite, mittlere Reihe). (Bildquelle: ROHM)

Der Signalpfad der Quelle, der den Strom optischer Impulse erzeugt, wird von einer speziellen Mikrocontroller-Einheit (MCU) gesteuert, die die gewünschte optische Impulswiederholrate und -breite bestimmt. Der Quellpfad besteht aus drei wichtigen funktionalen Elementen:

• Der Gate-Treiber liefert Hochgeschwindigkeitsimpulse mit schnellen Anstiegs- und Abfallzeiten, um den Gate-Schalter ein- und auszuschalten.
• Der Gate-Schalt-FET schaltet sich kurzzeitig ein und aus, um den Stromfluss der Laserdiode zu steuern.
• Die Laserdiode erzeugt unabhängige, sich nicht überschneidende optische Pulse der gewünschten Wellenlänge.

Die Auswahl und Integration dieser Komponenten erfordert ein Verständnis elektrischer Aspekte sowie optischer Eigenschaften wie Sichtfeld, Laserdiodenleistung und Wellenlängenwinkelempfindlichkeit sowie optisches Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Mit modernen Software-Algorithmen lassen sich einige Beschränkungen der elektro-optischen Signalwege und Herausforderungen in der gemessenen Umgebung überwinden. Es ist jedoch ratsam, Komponenten zu wählen, die für LiDAR optimiert sind, anstatt davon auszugehen, dass diese Algorithmen Mängel ausgleichen können.

Ein Blick auf eine repräsentative Komponente für jede dieser Funktionen veranschaulicht, wie LiDAR-optimierte Geräte die zahlreichen Herausforderungen bewältigen:

Der Gate-Treiber

Der BD2311NVX-LBE2 von ROHM Semiconductor (Abbildung 3) ist ein einkanaliger, ultraschneller GaN-Gate-Treiber, der sich gut für industrielle Anwendungen wie FTS eignet. Er liefert die erforderliche Kombination aus Betriebsstrom und -spannung. Er ist in einem 6-Pin-Gehäuse mit den Abmessungen von nur 2,0 mm × 2,0 mm × 0,6 mm untergebracht und kann einen Ausgangsstrom von bis zu 5,4 A bei einer Versorgungsspannung von 4,5 V bis 5,5 V liefern.

Abbildung 3: Der einkanalige Gate-Treiber BD2311NVX-LBE2 bietet die erforderliche Kombination aus Treiberstrom und Spannung zur präzisen Steuerung eines LiDAR-Gate-Schalters. (Bildquelle: ROHM)

Der BD2311NVX-LBE2 kann GaN-Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) und andere Schaltvorrichtungen mit schmalen Ausgangspulsen ansteuern und trägt so zur großen Reichweite und hohen Genauigkeit von LiDAR bei. Zu diesen impulsbezogenen Parametern gehören eine minimale Eingangsimpulsbreite von 1,25 Nanosekunden (ns), eine typische Anstiegszeit von 0,65 ns und eine typische Abfallzeit von 0,70 ns, jeweils bei einer Last von 220 Picofarad (pF). Die Einschalt- und Ausschaltverzögerungszeiten betragen 3,4 ns bzw. 3,0 ns.

Der Gate-Schalt-FET

Der Ausgang des Gate-Treibers ist mit dem Steuereingang des stromgesteuerten Schaltgeräts verbunden. Dieser Baustein muss entsprechend den Anweisungen des Gate-Treibers schnell zwischen Ein- und Aus-Zuständen wechseln und relativ hohe Stromwerte verarbeiten, in der Regel 50 A bis 100 A.

Das erforderliche Performanceniveau kann mit Bauelementen wie dem EPC2252 von EPC erreicht werden, einem für die Automobilindustrie qualifizierten (AEC-Q101) N-Kanal-GaN-Leistungstransistor vom Anreicherungstyp. Er zeichnet sich durch eine außergewöhnlich hohe Elektronenbeweglichkeit und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten für einen sehr niedrigen Durchlasswiderstand (R_DS(ON)) aus, während seine laterale Bauelementestruktur und die Majoritätsladungsträgerdiode eine außergewöhnlich niedrige Gesamt-Gate-Ladung (Q_G) und eine Source-Drain-Erholungsladung (Q_RR) von Null ermöglichen. Das Ergebnis ist ein Bauelement, das Aufgaben bewältigen kann, bei denen eine sehr hohe Schaltfrequenz und eine niedrige Einschaltdauer von Vorteil sind und bei denen die Einschaltverluste dominieren.

Die 80 V Drain-Source-Spannung (V_DS) des EPC2252, der maximale R_DS(ON) von 11 Milliohm (mΩ) und der kontinuierliche Drainstrom (I_D) von 8,2 A sagen nur einen Teil der Wahrheit. Er ist einfach zu verwenden, benötigt im Betriebszustand eine Gate-Ansteuerung von nur 5 V, 0 V für den Aus-Zustand und benötigt keine negative Spannung. Dies vereinfacht sowohl die Überlegungen zum Treiber als auch zur Versorgungsschiene.

Aufgrund seines Designs und seiner Die-Anordnung kann der Gate-Schalter einen I_D von 75 A (T_PULSE von 10 Mikrosekunden (µs)) verarbeiten und ist als passivierter Die mit den Abmessungen 1,5 mm × 1,5 mm und neun Kontaktlötstellen verpackt (Abbildung 4). Reduzierte Gehäuse- und Die-Parasitika, wie z.B. eine Eingangskapazität (C_ISS) von 440 pF (typisch), unterstützen die Highspeed-Pulsleistung mit schnellen Übergängen.

Abbildung 4: Der GaN-Leistungstransistor EPC2252 bietet das erforderliche schnelle Stromschalten für Hochstrom-Laserdioden in einem Gehäuse von 1,5 × 1,5 mm. (Bildquelle: EPC)

Die Laserdiode

Dies ist die letzte Komponente im optischen Pfad und fungiert als elektro-optischer Wandler. Im Gegensatz zu Kameras, die passive Geräte sind, sind Laserdioden aktive Quellen und senden optische Strahlung aus, die unter bestimmten Bedingungen für das menschliche Auge schädlich ist. Die maximal zulässige Intensität ist in Normen wie der EN 60825-1:2014, „Sicherheit von Laserprodukten“, festgelegt.

Die Sicherheitseinstufung eines LiDAR-Systems hängt von seiner Leistung, dem Divergenzwinkel, der Pulsdauer, der Belichtungsrichtung und der Wellenlänge ab. Die meisten Systeme verwenden eine Wellenlänge von 905 Nanometern (nm) oder 1550 nm, die jeweils eine akzeptable Effizienz und Wellenlängenkompatibilität zwischen dem Laser und einer geeigneten Photodiode bieten. Im Allgemeinen kann ein 1550-nm-Laser gefahrlos eine höhere Leistung als ein 905-nm-Laser abgeben, bevor er als unsicher gilt. Die 905-nm-Laser sind jedoch beliebt, weil sie kostengünstiger sind.

Die RLD90QZW3-00A von ROHM mit einer Wellenlänge von 905 nm ist eine gepulste Laserdiode, die für LiDAR-Anwendungen optimiert ist. Sie unterstützt eine Leistung von 75 W bei einem Vorwärtsstrom (I_F) von 23 A und bietet überragende Leistung bei drei Parametern: Strahlbreite (Divergenz), Verengung der Strahlwellenlänge und Strahlstabilität.

Die Strahldivergenz definiert die Streuung des Strahls aufgrund von Beugung. Die RLD90QZW3-00A bietet typische Werte von 25° in der senkrechten Ebene (θ_⊥) und 12° in der parallelen Ebene (θ_//) (Abbildung 5). Die Temperaturstabilität der Laserleistung beträgt 0,15 nm pro Grad Celsius (nm/°C).

Abbildung 5: Die gepulste Laserdiode RLD90QZW3-00A hat typische Strahldivergenzwerte von 25° in der senkrechten Ebene (links) und 12° in der parallelen Ebene (rechts). (Bildquelle: ROHM)

Die geringe Breite der Lichtemission und die Stabilität der Ausgangswellenlänge dieser Laserdiode sind ebenfalls entscheidend für eine verbesserte Systemleistung, da sie die Verwendung von optischen Bandpassfiltern mit geringer Wellenlänge ermöglichen. ROHM gibt an, dass der Bereich dieser Diode mit 225 Mikrometern (μm) um 22 % kleiner ist als der Bereich verfügbarer Konkurrenzprodukte, wodurch eine höhere Auflösung und ein breiterer Erfassungsbereich mit hoher Strahlschärfe, geringem Emissionsgrad und hoher optischer Dichte ermöglicht wird.

Diese beiden Faktoren verbessern das optische SNR und ermöglichen eine genaue Erfassung und Bewertung von Objekten in größerer Entfernung. Ein vergleichendes Punktwolkenbild zeigt die positiven Auswirkungen dieser engen und stabilen Spezifikationen auf die Auflösung (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Stabilität und Konsistenz des Ausgangs der gepulsten Laserdiode RLD90QZW3-00A führt zu einem verbesserten SNR und einer höheren Auflösung der Punktwolke. (Bildquelle: ROHM)

Fazit

LiDAR wird häufig zur Erfassung von 3D-Perspektiven der Umgebung und zur Kartierung des Geländes eingesetzt. Das Herzstück des LiDAR-Systems sind die elektronischen und elektro-optischen Komponenten, die die komplexen Funktionen integrieren, die für ein funktionsfähiges System erforderlich sind. Bei den Funktionen mit optischer Quelle müssen der Gate-Treiber, der Gate-Schalt-FET und die Laserdiode in Bezug auf Spannung, Strom, Geschwindigkeit und Stabilität kompatibel sein, um eine optimale Leistung zu gewährleisten.

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