更遠(yuǎn)感測(cè)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(cè)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在車(chē)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(jìng)爭(zhēng)力，市場(chǎng)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(guò)向目標(biāo)照射一束脈沖激光來(lái)測(cè)量目標(biāo)的距離等參數(shù)，它在汽車(chē)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(cè)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(wú)人搬運(yùn)車(chē) (AGV) 中，可用于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)障礙物，并通過(guò)算法來(lái)計(jì)算前進(jìn)路線。另外，運(yùn)用LiDAR來(lái)掌握高速公路的交通量，以便避開(kāi)塞車(chē)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(cè)，此外，通過(guò)LiDAR獲得的重要數(shù)據(jù)和高精度化的需求也越來(lái)越高，隨著LiDAR特性的進(jìn)一步提升，不僅是汽車(chē)市場(chǎng)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(cè)應(yīng)用，為了提高物體位置的正確性、物體檢測(cè)距離的延伸、物體檢測(cè)圖像的高精細(xì)化、物體檢測(cè)算法的正確性，LiDAR傳感器需要具備更遠(yuǎn)的感測(cè)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(wú)需接觸被測(cè)物即可測(cè)量與被測(cè)物之間的距離以及被測(cè)物的形狀等，在工業(yè)設(shè)備和車(chē)載領(lǐng)域，各種機(jī)器人自動(dòng)化和汽車(chē)自動(dòng)駕駛用途中使用LiDAR模塊創(chuàng)新被寄予厚望。

通過(guò)LiDAR模塊獲取的距離數(shù)據(jù)通常被稱(chēng)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(cè)物之間的距離數(shù)據(jù)。尤其是在汽車(chē)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(kāi)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(guò)幾十米遠(yuǎn)的較長(zhǎng)測(cè)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(zhǎng)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(kāi)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(zhǎng)的激光雷達(dá)應(yīng)用市場(chǎng)，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(zhuān)利技術(shù)，成功開(kāi)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(jìng)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(cè)范圍。另外，激光波長(zhǎng)的溫度依賴(lài)性與競(jìng)品的0.25nm/℃相比，改善了40%達(dá)到0.15nm/℃，因此能夠使用窄波長(zhǎng)帶通濾波器，能夠在窄波長(zhǎng)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(cè)量距離更遠(yuǎn)的物體。而且，通過(guò)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(chē)應(yīng)用領(lǐng)域，需要進(jìn)一步擴(kuò)大測(cè)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(chē)載應(yīng)用中，測(cè)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(lái)，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(guò)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(chǎng)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(kāi)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(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比，柵極-源極間耐壓提高到了8V，開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)的過(guò)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(kāi)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(kāi)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(zhǎng)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)，但上升／下降時(shí)間受半導(dǎo)體開(kāi)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(kāi)發(fā)并公開(kāi)了兩種電路的參考設(shè)計(jì)，并公開(kāi)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(kāi)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(shuō)明、仿真模型 (SPICE模型、射線數(shù)據(jù)) 和各個(gè)產(chǎn)品的PCB庫(kù)數(shù)據(jù)。通過(guò)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(chǎng)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(wú)人搬運(yùn)車(chē) (AGV) 等產(chǎn)品。

結(jié)語(yǔ)

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(chǎng)導(dǎo)入過(guò)程。

編輯：黃飛

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