更遠(yuǎn)感測距離和高分辨率的激光雷達(dá)解決方案

LiDAR (激光雷達(dá)) 可以精準(zhǔn)地進(jìn)行距離與空間量測，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在車輛自動(dòng)駕駛、掃地機(jī)器人與一些工業(yè)應(yīng)用，隨著LiDAR技術(shù)日益成熟、產(chǎn)品價(jià)格更具競爭力，市場發(fā)展相當(dāng)快速。本文將為您介紹LiDAR的技術(shù)發(fā)展，以及由ROHM (羅姆半導(dǎo)體) 推出的LiDAR大功率激光二極管與高速柵極驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)。

激光雷達(dá)帶動(dòng)新服務(wù)的創(chuàng)新

LiDAR是一種光學(xué)遙感技術(shù)，它通過向目標(biāo)照射一束脈沖激光來測量目標(biāo)的距離等參數(shù)，它在汽車業(yè)界已經(jīng)應(yīng)用了一段時(shí)間，可用于自動(dòng)駕駛的物體距離精確測量、確定空間等功能，此外也在其他應(yīng)用領(lǐng)域迅速發(fā)展，像是在掃地機(jī)器人和無人搬運(yùn)車 (AGV) 中，可用于實(shí)現(xiàn)檢測障礙物，并通過算法來計(jì)算前進(jìn)路線。另外，運(yùn)用LiDAR來掌握高速公路的交通量，以便避開塞車的路段，以及基于3D繪圖的地圖數(shù)據(jù)服務(wù)也被廣泛應(yīng)用。

此外，利用由LiDAR獲得的實(shí)時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)并結(jié)合AI算法，可實(shí)現(xiàn)物體認(rèn)知和行為預(yù)測，此外，通過LiDAR獲得的重要數(shù)據(jù)和高精度化的需求也越來越高，隨著LiDAR特性的進(jìn)一步提升，不僅是汽車市場的需求，還適用于工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，也有望帶動(dòng)新服務(wù)的創(chuàng)新。

針對(duì)LiDAR和物體檢測應(yīng)用，為了提高物體位置的正確性、物體檢測距離的延伸、物體檢測圖像的高精細(xì)化、物體檢測算法的正確性，LiDAR傳感器需要具備更遠(yuǎn)的感測距離和高分辨率，高精細(xì)且高功率的光束光源是不可缺少的，因此不僅要提高用于發(fā)光的激光二極管的特性，還需要以更快的速度和更高的功率驅(qū)動(dòng)激光二極管。

激光光源和高頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)

目前，CMOS圖像傳感器和激光二極管光源相結(jié)合的圖像傳感技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，該技術(shù)的特點(diǎn)是無需接觸被測物即可測量與被測物之間的距離以及被測物的形狀等，在工業(yè)設(shè)備和車載領(lǐng)域，各種機(jī)器人自動(dòng)化和汽車自動(dòng)駕駛用途中使用LiDAR模塊創(chuàng)新被寄予厚望。

通過LiDAR模塊獲取的距離數(shù)據(jù)通常被稱為“點(diǎn)云圖”或“3D深度圖”，其圖像數(shù)據(jù)的每個(gè)像素都存儲(chǔ)了從LiDAR模塊到被測物之間的距離數(shù)據(jù)。尤其是在汽車自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，必須能夠覆蓋更遠(yuǎn)的距離，因此業(yè)內(nèi)相關(guān)廠家紛紛發(fā)力開發(fā)更高分辨率的點(diǎn)云圖像技術(shù)。點(diǎn)云的分辨率取決于其一個(gè)像素能夠覆蓋的范圍大小，一個(gè)像素的大小取決于感光元件的像素大小、激光束的掃描間距和激光束光斑的大小。

由于LiDAR適用于超過幾十米遠(yuǎn)的較長測距范圍，所以要想提高其分辨率，如何減小透鏡出射光束的發(fā)散角至關(guān)重要。因此，需要選擇光源尺寸盡可能小的半導(dǎo)體激光器和焦距盡可能長的透鏡。

另一方面，在LiDAR運(yùn)用中，由于能夠發(fā)送窄脈沖信號(hào)，構(gòu)筑了能夠得到更高精細(xì)的圖像系統(tǒng)，因此最合適應(yīng)用能夠進(jìn)行高頻驅(qū)動(dòng)的GaN器件。與SiC器件一起被關(guān)注的寬帶隙半導(dǎo)體之一的GaN器件，與以往的Si半導(dǎo)體相比，是能夠大幅削減單位面積導(dǎo)通電阻的器件，在相同的導(dǎo)通電阻產(chǎn)品中，芯片尺寸可減小，開關(guān)損耗可大幅度降低 (與Si相比減少約65%)。SiC器件向更高耐壓、更大功率持續(xù)進(jìn)化，GaN器件則向更高頻驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。

激光雷達(dá)應(yīng)用的關(guān)鍵解決方案

為了應(yīng)對(duì)日益增長的激光雷達(dá)應(yīng)用市場，ROHM提供激光二極管、GaN HEMT (EcoGaN) 和GaN柵極驅(qū)動(dòng)器等解決方案，這些都是提高激光雷達(dá)特性的關(guān)鍵部件。

ROHM以獨(dú)自的專利技術(shù)，成功開發(fā)了能夠取得高精細(xì)圖像的高功率激光二極管。作為75W產(chǎn)品的RLD90QZW3實(shí)現(xiàn)了激光二極管的窄發(fā)光寬度，相對(duì)于競品290μm，減少22%到225μm，可實(shí)現(xiàn)高光束性、窄發(fā)光區(qū)域及高光學(xué)密度，可實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和更寬的檢測范圍。另外，激光波長的溫度依賴性與競品的0.25nm/℃相比，改善了40%達(dá)到0.15nm/℃，因此能夠使用窄波長帶通濾波器，能夠在窄波長范圍內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這意味著信噪比 (S/N比) 得到改善，從而能夠準(zhǔn)確地測量距離更遠(yuǎn)的物體。而且，通過ROHM獨(dú)特的技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)窄發(fā)光寬度的同時(shí)，PCE (Power-Optical Conversion Efficiency) 也達(dá)到業(yè)界頂級(jí)的21%，抑制了功耗的增加。

在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，需要進(jìn)一步擴(kuò)大測距范圍，對(duì)更高輸出功率的半導(dǎo)體激光器需求強(qiáng)勁。因此，除了RLD90QZW3之外，ROHM還發(fā)布了120W級(jí)的RLD90QZW8，其額定輸出光功率是RLD90QZW3的1.6倍。通常，要想提高輸出光功率，就需要增加光源的尺寸，RLD90QZW8的光源尺寸是RLD90QZW3的1.2倍左右。

在車載應(yīng)用中，測距范圍達(dá)100m以上，因此需要選擇輸出光功率高的激光二極管，同時(shí)還需要產(chǎn)品具備能夠?qū)⑼哥R出射光束發(fā)散角抑制得盡可能小的光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)。RLD90QZW8是業(yè)內(nèi)率先推出的兼具120W高輸出功率和20deg快軸發(fā)散角的產(chǎn)品。未來，ROHM將繼續(xù)發(fā)揮業(yè)界超高水準(zhǔn)的光束質(zhì)量技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過優(yōu)質(zhì)的激光二極管產(chǎn)品為圖像傳感領(lǐng)域的創(chuàng)新貢獻(xiàn)力量。

ROHM將以這些先進(jìn)的技術(shù)，增強(qiáng)LiDAR運(yùn)用的激光二極管的陣容，引領(lǐng)高功率化的市場趨勢(shì)。另外，ROHM不僅可以提供封裝產(chǎn)品，還可以提供芯片，用戶自己可應(yīng)用于多晶元封裝模塊的開發(fā)，因此可設(shè)計(jì)出更具特征的LiDAR系統(tǒng)。

ROHM目前已經(jīng)確立了GaN器件的量產(chǎn)體制，與競爭產(chǎn)品相比，柵極-源極間耐壓提高到了8V，開關(guān)動(dòng)作時(shí)的過沖破壞的余量也提高了約30%，因此是一個(gè)讓電路設(shè)計(jì)容易的器件。并且，采用高散熱的貼片式封裝，更容易安裝。采用比以往封裝降低55%封裝寄生電感結(jié)構(gòu)，抑制特性劣化。

ROHM已經(jīng)開始提供高速柵極驅(qū)動(dòng)器IC (BD2311NVX-C) 的樣品，這是驅(qū)動(dòng)GaN HEMT的理想選擇。BD2311NVX-C是針對(duì)GaN HEMT驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的高速單通道柵極驅(qū)動(dòng)器，輸入信號(hào)的輸出延遲減少到3.4 ns (開啟) /3.0 ns (關(guān)閉)。與EcoGaN一樣，由于采用了表面貼裝封裝，因此它是一種易于貼裝的產(chǎn)品。

用于GaN HEMT和GaN HEMT驅(qū)動(dòng)的柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案可以實(shí)現(xiàn)作為GaN HEMT的特點(diǎn)的高頻驅(qū)動(dòng)。除了面向LiDAR的激光驅(qū)動(dòng)以外，也適用于活用GaN器件高頻動(dòng)作特長的DC/DC轉(zhuǎn)換器等。

完整的激光驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)

為加速客戶的產(chǎn)品開發(fā)速度，ROHM將激光二極管、GaN HEMT (EcoGaN)、GaN驅(qū)動(dòng)用柵極驅(qū)動(dòng)器等在激光驅(qū)動(dòng)中作為關(guān)鍵作用的各器件加以組合，開發(fā)出REFLD002參考設(shè)計(jì)。

通常，為了驅(qū)動(dòng)LiDAR激光二極管要使用能高速ON/OFF的GaN HEMT，其由矩形波電路或共振電路構(gòu)成。矩形波電路控制與連接電源的激光二極管串聯(lián)的ON/OFF開關(guān)，但上升／下降時(shí)間受半導(dǎo)體開關(guān)的速度、電路中形成的環(huán)路電感的限制。諧振型電路作為高頻驅(qū)動(dòng)電路是很普遍的，但是電路常數(shù)的設(shè)計(jì)需要了解高頻。ROHM已經(jīng)開發(fā)并公開了兩種電路的參考設(shè)計(jì)，并公開了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) (電路圖、PCB的Gerber、BOM) 和評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，因此可由用戶自由進(jìn)行設(shè)計(jì)參照、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)用。另外，由于在作為Web免費(fèi)仿真器的ROHM Solution Simulator上公開了仿真電路，所以能夠輕松地執(zhí)行兩種電路方式的仿真。由于可以馬上確認(rèn)變更電路常數(shù)時(shí)的波形變化，因此可以用于初期的設(shè)計(jì)討論。

除了參考設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)外，ROHM的網(wǎng)站上還提供了應(yīng)用說明、仿真模型 (SPICE模型、射線數(shù)據(jù)) 和各個(gè)產(chǎn)品的PCB庫數(shù)據(jù)。通過利用參考設(shè)計(jì)、參考設(shè)計(jì)電路仿真和產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可以大幅減少設(shè)計(jì)和評(píng)估工時(shí)，并加快將產(chǎn)品推向市場的進(jìn)程。

REFLD002是適用于LiDAR的大功率激光二極管高速驅(qū)動(dòng)EcoGaN和高速柵極驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)，參考設(shè)計(jì)包括REFLD002-1與REFLD002-2，內(nèi)含高速驅(qū)動(dòng)LiDAR應(yīng)用中的關(guān)鍵器件 —— 激光二極管，以及下一代器件“EcoGaN” (GaN HEMT) 驅(qū)動(dòng)用高速柵極驅(qū)動(dòng)器 (BD2311NVX-C)，包含方波和諧振兩種電路，可應(yīng)用于ADAS LiDAR、工業(yè)用LiDAR、掃地機(jī)器人、無人搬運(yùn)車 (AGV) 等產(chǎn)品。

結(jié)語

對(duì)于今后日益增加的LiDAR運(yùn)用導(dǎo)入，ROHM推出多款為提高LiDAR特性而成為關(guān)鍵部件的激光二極管、GaN HEMT (EcoGaN)、提供GaN驅(qū)動(dòng)用的柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案，并推出作為設(shè)計(jì)參照的參考設(shè)計(jì)，可加速用戶的產(chǎn)品市場導(dǎo)入過程。

編輯：黃飛

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