Jak sterowniki, przełączniki i diody wpływają na wydajność LiDAR?

Chociaż technologia LiDAR została dobrze przebadana, projektanci muszą zachować szczególną ostrożność przy doborze kluczowych komponentów, takich jak sterownik bramek, tranzystor polowy (FET) z funkcją przełączania bramek i dioda laserowa, niezbędnych do wytworzenia impulsów optycznych.

Niniejszy artykuł zawiera omówienie podstaw technologii LiDAR. Przedstawiono w nim też przykłady krytycznych komponentów elektrooptycznych i to, w jaki sposób współpracują, aby wygenerować niezbędne impulsy.

Jak działa technologia LiDAR

Technologia LiDAR działa poprzez wysyłanie ciągłego strumienia krótkich impulsów optycznych średniej mocy, a następnie przechwytywanie ich odbić. Mierzy ona czas przelotu (ToF) w celu utworzenia chmury punktów otoczenia, która przedstawia perspektywę trójwymiarową (3D) (ilustracja 1). Wiele systemów wykorzystuje w matrycy wiele diod laserowych dla większego pokrycia obszaru.

Ilustracja 1: technologia LiDAR działa na zasadzie tworzenia chmury punktów, która stanowi wizualizację 3D otoczenia. (Źródło ilustracji: Blickfeld GmbH)

Działanie systemu LiDAR zależy od zastosowania. System używany w wolno poruszających się robotach odkurzających o ograniczonym obszarze działania lub pojazdach kierowanych automatycznie (AGV) ma znacznie mniejszy zasięg i wymagania dotyczące rozdzielczości kątowej niż system stosowany w samochodzie, który musi radzić sobie z większymi prędkościami i reagować na ruch pojazdów, rowerzystów lub pieszych. Jako najlepsze docelowe parametry działania w zastosowaniach motoryzacyjnych często podaje się efektywny zasięg od 100m do 200m i rozdzielczość kątową 0,1°.

W celu uzyskania precyzyjnej chmury punktów dwuosiowy galwanometr elektromechaniczny skanuje błyski lasera w obszarze wizji. Ze względu na to, że system LiDAR mierzy czas przelotu (ToF) dla każdego wyemitowanego impulsu i powiązanego z nim odbicia, może stworzyć obraz 3D z perspektywą głębi, której pojazdy potrzebują do dokładnej nawigacji w otoczeniu.

Ścieżka elektrooptyczna podstawą technologii LiDAR

Kompletny system LiDAR, taki jak ten stosowany w pojazdach kierowanych automatycznie (AGV), wymaga zróżnicowanego zestawu połączonych ze sobą bloków optycznych, analogowych, procesorowych i mechanicznych. Podstawą systemu jest ścieżka elektrooptyczna, która składa się z laserowego źródła optycznego i umieszczonego obok odbiornika optycznego (ilustracja 2).

Ilustracja 2: elektrooptyczna ścieżka sygnałowa i powiązane z nią komponenty stanowią serce systemu LiDAR (po prawej stronie, środkowy rząd). (Źródło ilustracji: ROHM)

Ścieżka sygnałowa źródła, które wytwarza strumień impulsów optycznych, jest kontrolowana przez dedykowany mikrokontroler (MCU), który określa żądaną częstotliwość i szerokość powtarzania impulsów optycznych. Ścieżka źródłowa składa się z trzech kluczowych elementów funkcjonalnych:

• Sterownik bramek dostarcza szybkie impulsy z krótkimi czasami narastania i opadania, umożliwiające włączanie i wyłączanie przełącznika bramkowego.
• Tranzystor polowy (FET) z funkcją przełączania bramek włącza się i wyłącza w sposób wyraźny, aby sterować przepływem prądu przez diodę laserową.
• Dioda laserowa generuje niezależne, nienakładające się impulsy optyczne o wymaganej długości fali.

Dobór i integracja tych komponentów wymaga zrozumienia zagadnień elektrycznych, a także właściwości optycznych, takich jak pole widzenia, moc diody laserowej i czułość kątowa długości fali oraz optyczny stosunek sygnału do szumu (SNR). Zaawansowane algorytmy oprogramowania pozwalają przezwyciężyć niektóre ograniczenia ścieżek sygnału elektrooptycznego i wyzwania związane z wykrywanym otoczeniem. Jednak rozważnym podejściem inżynieryjnym jest wybranie komponentów zoptymalizowanych pod kątem technologii LiDAR, zamiast zakładać, że algorytmy te mogą zrekompensować wady.

Spojrzenie na reprezentatywne komponenty dla każdej z tych funkcji ilustruje, w jaki sposób urządzenia zoptymalizowane pod kątem technologii LiDAR radzą sobie z wieloma wyzwaniami:

Sterownik bramek

Urządzenie BD2311NVX-LBE2 firmy ROHM Semiconductor (ilustracja 3) to jednokanałowy, ultraszybki sterownik bramek GaN, dobrze nadający się do zastosowań przemysłowych, takich jak pojazdy kierowane automatycznie (AGV). Zapewnia on niezbędną kombinację prądu sterującego i napięcia. Posiada 6-wtykową obudowę o wymiarach zaledwie 2,0mm × 2,0mm × 0,6mm i może dostarczać prąd wyjściowy o natężeniu do 5,4A przy zakresie napięć zasilania od 4,5V do 5,5V.

Ilustracja 3: jednokanałowy sterownik bramek BD2311NVX-LBE2 zapewnia niezbędną kombinację prądu sterującego i napięcia do precyzyjnego sterowania przełącznikiem bramek LiDAR. (Źródło ilustracji: ROHM)

Urządzenie BD2311NVX-LBE2 może sterować tranzystorami GaN o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT) i innymi urządzeniami przełączającymi za pomocą wąskich impulsów wyjściowych, zapewniając w ten sposób duży zasięg i wysoką dokładność urządzeń LiDAR. Parametry związane z impulsem to m.in. minimalna szerokość impulsu wejściowego wynosząca 1,25ns, typowy czas narastania 0,65ns i typowy czas opadania 0,70ns, a wszystko to przy obciążeniu 220pF. Czasy opóźnienia włączania i wyłączania wynoszą odpowiednio 3,4ns i 3,0ns.

Tranzystor polowy (FET) z funkcją przełączania bramek

Wyjście sterownika bramek łączy się z wejściem sterującym przełącznika sterującego prądem. Urządzenie to musi szybko przełączać się między stanami włączenia i wyłączenia zgodnie z poleceniami sterownika bramek i obsługiwać stosunkowo duże wartości prądu, zwykle od 50A do 100A.

Wymagany poziom parametrów działania jest osiągany dzięki pomocy urządzeń takich jak tranzystor mocy GaN ze wzbogaconym kanałem N EPC2252 firmy EPC z kwalifikacją motoryzacyjną (AEC-Q101). Charakteryzuje się wyjątkowo wysoką ruchliwością elektronów i niskim współczynnikiem temperaturowym, co zapewnia bardzo niską rezystancję w stanie włączenia (RDS(ON)), podczas gdy boczna konstrukcja urządzenia i dioda z nośnikami większościowymi zapewniają wyjątkowo niski całkowity ładunek bramki (QG) i zerowy ładunek regeneracyjny dren-źródło (QRR). W rezultacie powstało urządzenie, które może poradzić sobie z zadaniami, w których korzystne są bardzo wysokie częstotliwości przełączania i krótki czas włączenia oraz w których dominują straty w stanie włączenia.

Charakteryzujące urządzenie EPC2252 napięcie dren-źródło (VDS) wynoszące 80V, rezystancja w stanie włączenia RDS(ON) wynosząca 11mΩ (maks.), oraz prąd ciągły drenu (ID) wynoszący 8,2A opowiadają tylko część historii. Jest łatwe w użyciu, wymaga napięcia sterowania bramką w stanie włączenia wynoszącego zaledwie 5V i 0V w stanie wyłączenia oraz nie wymaga napięcia ujemnego. Upraszcza to zarówno kwestie związane ze sterownikiem, jak i szyną zasilającą.

Ze względu na konstrukcję i układ struktury przełącznik bramkowy może obsługiwać prąd ID 75A (TPULSE = 10µs) i jest umieszczony w pasywowanej strukturze o wymiarach 1,5mm × 1,5mm z dziewięcioma kulkami lutowniczymi (ilustracja 4). Redukcja zjawisk pasożytniczych między obudową i strukturą, w tym pojemność wejściowa (CISS) 440pF (typ.), pozwala na obsługę szybkich impulsów i szybkich przejść.

Ilustracja 4: tranzystor mocy GaN EPC2252 zapewnia przełączanie prądu wymagane przez wysokoprądowe diody laserowe w obudowie o wymiarach 1,5 × 1,5mm. (Źródło ilustracji: EPC)

Dioda laserowa

Jest to ostatni komponent w ścieżce optycznej, który działa jako przetwornik elektrooptyczny. W przeciwieństwie do kamer, które są urządzeniami pasywnymi, diody laserowe są źródłami aktywnymi i emitują promieniowanie optyczne, które w pewnych warunkach jest uznawane za szkodliwe dla oczu. Maksymalna dopuszczalna intensywność jest określona przez normy, takie jak norma EN 60825-1:2014 „Bezpieczeństwo produktów laserowych”.

Klasa bezpieczeństwa systemu LiDAR zależy od jego mocy, kąta rozbieżności, czasu trwania impulsu, kierunku ekspozycji i długości fali. Większość systemów wykorzystuje fale o długości 905nm lub 1550nm. I jedna, i druga oferują akceptowalną sprawność i kompatybilność długości fali między laserem a odpowiednią fotodiodą. Ogólnie rzecz biorąc, laser 1550nm może bezpiecznie emitować większą moc niż laser 905nm, zanim zostanie uznany za niebezpieczny. Jednak lasery 905nm są popularne, ponieważ są tańsze.

Chcąc pracować z falami o długości 905nm, można wykorzystać impulsową diodę laserową RLD90QZW3-00A firmy ROHM, która jest zoptymalizowana pod kątem zastosowań wykorzystujących technologię LiDAR. Obsługuje ona moc wyjściową 75W przy prądzie przewodzenia (IF) 23A i zapewnia znakomite parametry działania w zakresie trzech parametrów: szerokości (rozbieżność) wiązki, szerokości długości fali wiązki oraz stabilności wiązki.

Rozbieżność wiązki definiuje rozchodzenie się wiązki w wyniku dyfrakcji. Dioda RLD90QZW3-00A ma typowe wartości 25° w płaszczyźnie prostopadłej (θ⊥) i 12° w płaszczyźnie równoległej (θ//) (ilustracja 5). Stabilność temperatury wyjściowej lasera wynosi 0,15nm/°C.

Ilustracja 5: impulsowa dioda laserowa RLD90QZW3-00A ma typowe wartości rozbieżności wiązki 25° w płaszczyźnie prostopadłej (po lewej) i 12° w płaszczyźnie równoległej (po prawej). (Źródło ilustracji: ROHM)

Kluczowe znaczenie dla lepszych parametrów działania systemu mają również wąska emitowana wiązka światła i stabilność długości fali wyjściowej tej diody laserowej, ponieważ pozwalają na zastosowanie optycznych filtrów pasmowych dla wąskich fal. Firma ROHM twierdzi, że omawiana dioda charakteryzuje się pasmem emisji 225μm, który jest o 22% węższy w porównaniu z pasmem dostępnych urządzeń konkurencyjnych, co pozwala uzyskać wyższą rozdzielczość i szerszy zakres wykrywania, wysoką ostrość wiązki, wąską emisyjność i wysoką gęstość optyczną.

Te dwa czynniki poprawiają optyczny stosunek sygnału do szumu (SNR), umożliwiając dokładne wykrywanie i ocenę obiektów znajdujących się w większej odległości. Porównawczy obraz chmury punktów pokazuje pozytywny wpływ tych precyzyjnych i stabilnych specyfikacji na rozdzielczość (ilustracja 6).

Ilustracja 6: stabilność i powtarzalność sygnału wyjściowego impulsowej diody laserowej RLD90QZW3-00A pozwala uzyskać lepszy stosunek sygnału do szumu (SNR) i rozdzielczość chmury punktów. (Źródło ilustracji: ROHM)

Podsumowanie

Technologia LiDAR jest szeroko stosowana do przechwytywania perspektywy 3D otoczenia i mapowania terenu. Podstawą systemu LiDAR są komponenty elektroniczne i elektrooptyczne, które łączą w sobie złożone możliwości potrzebne dla wydajnego systemu. Jeśli chodzi o funkcje źródła optycznego, aby zapewnić optymalne parametry działania, sterownik bramek, tranzystor polowy (FET) z funkcją przełączania bramek oraz dioda laserowa muszą być kompatybilne pod względem napięcia, prądu, prędkości i stabilności.

Źródło: Zrozumienie roli sterowników, przełączników i diod laserowych w osiąganiu efektywnych parametrów działania technologii LiDAR

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.