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窄脈寬/高電流/低寄生電感兼具 eGaN推進車用光達應用

對於在自動駕駛和輔助駕駛等應用中為車輛提供眼睛的光學雷達系統而言,其需要短至數奈秒、甚至更窄的脈衝寬度來實現必要的距離解析度,而這類脈衝通常使用雷射二極體來產生。為了獲得足夠的距離測量範圍,峰值光功率必須要夠高。這意謂著雷射二極體的峰值電流將達到數十安培甚至數百安培。目前要產生這個數量等級的電流,通常需要使用複雜的電路及昂貴的特殊半導體元件。 圖1 典型的光學雷達系統概述   脈衝寬度/能量大幅影響距離解析度及量測範圍 ToF光學雷達通常使用近紅外(NIR)雷射二極體,即側面發射外延雷射器或垂直腔面發射雷射器(VCSEL)來實現。雷射二極體在電氣上的表現與整流器類似,當正向偏置高於某個下限電流時,它會發射出光功率與正向電流成比例的雷射輻射線。因此,如果採用脈衝電流驅動,則可以獲得雷射脈衝。雷射脈衝主要有脈衝寬度和脈衝能量等兩個關鍵選項,其分別對距離解析度和距離量程範圍造成顯著的差異。傳輸中光訊號的脈寬對光學雷達系統的距離分辨率有很大的影響(圖2),如同圖2的上圖描述從光學雷達發出的窄脈衝光訊號的情況,其中光脈衝必須傳播距離d後,才能到達目標,並被反射向後傳播至光學雷達,側脈衝發送和接收之間的時間td為td=2d/c,其中c是光在空氣中的速度,約30cm/ns。通過傳播時間td,便可以確定目標距離。圖2的下圖描述當發送更大脈寬(足夠大)的脈衝光訊號時,反射的脈衝開始重疊,此時很難區分環境中的特徵。 圖2 脈寬對光學雷達距離解析度的影響(上圖:窄脈衝使反射易於區分。下圖:寬脈衝在反射中可能會重疊,難以區分並降低距離解析度) 假設以脈寬1奈秒的脈衝電流驅動雷射二極體,此時對應脈寬30cm的光脈衝。當目標特徵接近15cm或更小脈寬時,此時接收到的脈衝訊號開始重疊,並變得難以區分。儘管各種訊號處理技術可以提高給定的脈寬的分辨率,但窄脈衝可以提供更好的固有精度,並且在實際上,人類尺度的分辨率大約要求訊號的脈寬為數奈秒或更短。 脈衝能量是確定光學雷達系統測量距離範圍的主要因素之一。對更高解析度的需求使設計朝著更窄脈衝方向發展。此時,必須增大二極體的電流,才能保持足夠的脈衝能量。典型的脈衝電流幅值在數安培到數百安培。多款雷射二極體的額定脈衝電流在數十安培的範圍內,可以在窄脈寬、大電流下運作這些雷射二極體,並獲得較高的峰值光功率。總而言之,光學雷達系統應用對雷射二極體的典型要求導致現有商用雷射二極體的峰值脈衝電流範圍從幾安培到數百安培皆有,且脈寬為1奈秒至10奈秒。 GaN挾高性能/低寄生電感雙優勢成就雷達驅動器 用於光學雷達系統的典型脈衝雷射驅動器通常使用與雷射器和電源串聯的半導體功率開關元件,其性能受寄生電感和半導體功率元件的速度所限制。在過去的十年中,極具成本效益的GaN功率FET和IC已商業化,其寄生電感明顯降低、且開關品質因數(FOM)優於等效Si MOSFET元件10倍以上。 隨著eGaN FET和IC的問世,進而能夠以簡單、小巧的電路、低成本地實現所需性能。若在給定的峰值電流能力下互相比較,eGaN FET的性能大大優於傳統Si MOSFET元件,可實現更快的開關速度,GaN技術則能夠支援短距離和遠距離光學雷達感測器的設計(圖3)。對於遠距離系統而言,GaN元件可在數奈秒內提供高達500A的大電流脈衝;GaN元件還可以為電流要求較低但仍需要窄脈衝(小於1奈秒)的短距離系統提供解決方案。GaN元件的高性能及其晶片級封裝的低寄生電感使eGaN FET成為脈衝雷射驅動器較理想的功率開關元件。 圖3 GaN元件可支援短距離和遠距離光學雷達系統 最簡單也最常見的雷射驅動器方案是共振電容放電驅動器。如圖4所示,FET Q1透過寄生電感L1和雷射器DL使電容C1共振放電。為了消除寄生電感L1帶來的影響並實現所需要的快速電流上升時間,C1需充電至相對較高的電壓(通常為25~150V),FET Q1必須能夠承受這個電壓和傳導峰值電流並在1奈秒或更短的時間內導通。eGaN FET是目前唯一可以滿足這些要求的現有低成本半導體功率開關元件。 圖4 簡化後的雷射驅動器及其關鍵波形 遠距光學雷達以大電流驅動 EPC9126和EPC9126HC是針對遠距離直接飛行時間(DToF)應用的大電流雷射二極體驅動器的演示系統,它在設計中採用宜普電源(EPC)所推薦的基本最佳布局原理來最小化寄生電感。EPC9126內建通過汽車及認證的eGaN FET EPC2212,該元件可輸出高達75A且脈寬小於2奈秒的電流脈衝到雷射器中。更大電流版本的EPC9126HC則最大可以產生150A的電流脈衝、且脈寬小於3奈秒。 兩款驅動器中都內建針對關鍵波形的感測功能,並且可以相容多種雷射器封裝形式。為了獲得最佳的性能,可以針對特定雷射器優化PCB,例如採用低電感表面貼裝脈衝雷射器OSRAM SPL S1L90A_3 A01,並與德州儀器(TI)高性能閘極驅動器LMG1020配對使用。圖5的EPC9126HC演示系統在應用中產生脈寬2.51奈秒、135A的電流脈衝時所測得的波形。 圖5 EPC9126HC性能測試波形 短距光學雷達優化間接飛行時間 EPC9144雷射驅動器演示系統針對間接飛行時間(IToF)應用進行優化,能夠產生總脈寬窄至1.2奈秒、電流高達28A的脈衝來驅動雷射二極體。EPC9144內建已經接地並通過汽車級認證的eGaN FET EPC2216,同時採用TI的閘極驅動器LMG1020來驅動。PCB設計中最大程度地降低了電源環路電感,同時保持雷射二極體或其他負載的安裝靈活性,板上還包括多個用於電壓測試的被動探頭,並配備用於輸入和檢測的MMCX連接。 此外,該電路板還設置一個能夠進行亞奈秒級運作的窄脈衝發生器,用戶可以透過移除電阻直接為閘極驅動器供電。電路板出廠時設定的工作邏輯電平為3.3V,同時也配置電平邏輯轉換器和差分接收器以適應1.8V邏輯電平或低壓差分訊號(LVDS)等不同應用情景。圖6為EPC9144演示系統以及其在應用中產生脈寬1.2奈秒、8.3A的電流脈衝時所測得的性能曲線。 圖6 EPC9144性能測試波形 車規級認證產品為雷達應用範圍 針對車規級光學雷達應用系統,EPC已發布多款通過AEC-Q101認證的產品,其中包括額定電壓80V且脈衝電流能力75A的EPC2202、額定電壓100V且脈衝電流能力75A的EPC2212、額定電壓80V且脈衝電流能力17A的EPC2203,以及額定電壓15V且脈衝電流能力28A的EPC2216,並有多款針對光學雷達應用的電晶體及IC正在進行汽車級認證。 GaN為雷射驅動器性能突破關鍵 GaN功率電晶體與IC的卓越性能,使雷射驅動器的性能得到突破性的發展。在幾平方毫米的面積上產生數奈秒脈寬的大電流脈衝,進而提供數百W功率的能力,成為製造低成本、高性能的光學雷達系統的關鍵因素之一。因此GaN功率元件進一步擴展光學雷達應用的領域,並且提高至關重要的精確度,其應用領域主要包括自動駕駛車輛及人臉識別、倉庫自動化、無人機和拓撲繪圖等其他ToF應用。目前雖仍處於GaN-on-Si功率元件技術的發展初期,但是與處於技術瓶頸期的Si MOSFET相比,eGaN FET的迅速發展,將進一步擴大其效能差距。 (本文作者為宜普電源執行長暨共同創辦人)  
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艾邁斯新NIR影像感測器優化3D視覺感測系統

高效能感測器解決方案供應商艾邁斯半導體(ams)日前推出CMOS全局快門(CGSS)近紅外線(NIR)影像感測器,作為最近發表的3D系統的進一步發展。CGSS130讓臉部識別、支付認證等3D光學感測應用能以遠低於替代方案的功耗運作。OEM客戶將能以更長的單次充電使用時間作為電池供電設備關鍵的產品區隔,同時支援更複雜的感測器功能。 ams副總裁暨ISS部門總經理Stephane Curral表示,繼2020年稍早ams與SmartSens Technology開始合作夥伴的關係,很高興宣布推出首款內建CGSS130電壓NIR增強型全局快門影像感測器的3D主動立體視覺(ASV)參考設計。此一1.3M像素堆疊式BSI感測器在940nm波段提供高量子效率(QE),適合電池供電設備應用。此外,透過一次提供照明、接收器和軟體等3D系統主要組件,ams協助客戶以更低成本打造出效能優異的產品,同時更快速將產品上市。 新推出的CGSS130感測器對於NIR波長的靈敏度四倍於市場上多數其他產品,可靠偵測3D感測系統中超低功率IR發射器的反射。由於IR發射器在臉部識別及其他3D感測應用中是主要耗電元件,因此CGSS130的採用將使製造商能有效延長行動設備的電池使用時間。同時,也讓可穿戴設備和其他僅有極小電池的產品有機會搭載臉部識別功能,甚至因為高靈敏度擴展相同功率條件下的測量範圍,因而實現臉部識別以外的創新應用。
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克服工業影像系統挑戰 德儀新推數位微型反射元件

為了滿足工業成像和印刷不斷成長的需求,製造解決方案必須能夠高速生成品質一致的複雜高解析度2D影像,德州儀器新推出數位型反射元件(DMD)「DLP650LNIR」,克服工業影像系統的挑戰。 德州儀器副總裁暨DLP產品總經理Ane Sacks表示,提到DLP就不得不提起另一著名AR投影顯示技術LCOS,儘管現在兩大投影顯示技術成本差異不大, 但DLP在亮度與色彩飽和度表現都比LCOS更好。而關於DLP的晶片,她說,以前的最高解析度只有做到nHD,即Full HD的九分之一。但最近TI已經開始量產一款晶片尺寸為0.3英吋的Full HD晶片。 Sacks說明,DLP技術過去已經可見於使用紫外線光源的高處理能力3D列印和印刷電路板(PCB)光刻。如今,DLP技術對近紅外線(NIR)光源也已具備高速印刷、高解析度和即時適應性等相同優勢,拓展了工業印刷的應用。 例如,現今NIR雷射廣泛地被應用在各工業成像領域,用於3D列印的選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering)、雷射刻印、數位列印以及雷射剝離(Ablation)。而DLP650LNIR支援高功率NIR雷射,並能提供TI迄今為止推出的最高光功率處理能力(最高可達500W/cm2)。 又或是醫療和食品產業的產品標記也是工業影像系統的一個例子。法規要求在每個包裝上都印上更多的資訊,好用以追蹤商品通過供應鏈的路徑,而數位標記的應用就能在製造過程後期為每個對象加上獨特的圖案或影像。這些系統必須在不犧牲產量目標的前提下,即時客製化和處裡更複雜的資訊及圖案。 透過DLP技術,雷射印刻系統可以一次完成2D區域的熱曝光。如此一來,即使在生產大型複雜的城市碼和圖案時,標記率也能保持穩定;而新推出的DLP650LNIR擁有超過100萬個微鏡,可同時大面積曝光到雷射上,進而列印出比現有技術更精緻的細節和更一致的結果。 簡而言之,新推出的DLP產品提供了工業級製造和NIR雷射成像所需的高速和穩定性,也擴展了可應用 DLP 技術的工業印刷範圍,包含選擇性雷射燒結3D列印、熱感應塗層的動態雷射光刻、數位彩色油墨列印,甚至隨著材料學家的新發現而出現的新技術等。  
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