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ADI/微軟攜手量產先進3D成像產品及解決方案

亞德諾半導體(ADI)宣布與微軟(Microsoft)達成策略合作,將運用Microsoft的3D飛時測距(ToF)感測器技術協助客戶輕鬆建立高效能3D應用,實現更高的深度精度,而不受具體的環境條件限制。ADI將基於Microsoft Azure Kinect技術為工業4.0、汽車、遊戲、擴增實境、運算攝影和攝像等領域提供ToF解決方案。 工業市場現正推動3D成像系統的發展,這些系統可用於需要人機協作機器人、房間映射和庫存管理系統等先進應用才能實現工業4.0的嚴苛環境中。此外,ToF並可在汽車應用中實現乘坐檢測和駕駛員監測功能,為駕駛員和乘客提供更安全的汽車駕乘體驗。 ADI消費性電子事業部總經理Duncan Bosworth表示,客戶希望深度影像採集能夠和拍照一樣簡單。HoloLens混合實境頭戴裝置和Azure Kinect開發套件中均使用了Microsoft的ToF 3D感測器技術,該技術被視為飛時測距技術領域的業界標準。將這種技術與ADI自主建構的解決方案結合,將使客戶能輕鬆開發和擴展所需的下一代高性能應用,而且是開箱即用。 ADI正設計、生產和銷售一全新系列產品,其中包括3D ToF成像器、雷射驅動器、基於軟體和硬體的深度系統,這些產品將提供卓越的深度解析度,精度可以達到毫米級。ADI將圍繞互補金屬氧化物半導體(CMOS)成像感測器建構完整系統,以提供3D細節效果更佳、操作距離更遠,且操作更可靠的成像,而且不受視線範圍內的目標限制。此平台為客戶提供隨插即用功能,以快速實現大規模部署。 Microsoft合作夥伴硬體架構師Cyrus Bamji表示,ADI是將物理現象轉化為數位資訊之領導者。此次合作可擴大該公司ToF感測器技術的市場滲透率,協助開發商用3D感測器、攝影機和相關解決方案,這些產品與方案可與基於Microsoft depth、Intelligent Cloud和Intelligent Edge平台建構的Microsoft生態系統相容。 ToF 3D感測器技術可精準投射僅持續數奈秒的受控雷射,之後這些雷射從場景中反射到高解析度影像感測器,而對這個影像矩陣中的每個像素提供深度估值。ADI新推出的CMOS ToF產品基於Microsoft技術,可實現高度精準的深度測量,是具有低雜訊、防多路徑干擾高穩定性,且易於量產的校準解決方案。ADI的產品和解決方案已開始提供樣品,首款運用Microsoft技術的3D成像產品預計於2020年年底發表。
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感測/無線連接/AI高度結合 智慧物聯網萬事俱備

隨著無線感測與感測器技術演進,物聯網的應用逐漸落地,其中設備維護、無線網路連接、深度感測及人工智慧(AI)運算需求,皆是物聯網發展的重要技術。工業4.0透過自動化狀態監測(CbM)的即時預警,能確保產線上的設備正常運作,以及大型公共建設與交通系統安全。Wi-SUN千點組網則確保遠距傳輸的穩定性跟速度,而3D深度感測實現各項環境辨識與虛擬實境應用。最終加上人工智慧的運算助力,感測器的精準度便能顯著提升。 MEMS感測器高穩定/低成本助攻CbM 工業4.0時代,工廠走向智慧化、自動化,生產線上的機械手臂應用越來越多,但設備存在長時間使用後失效的風險,因此需要感測器即時預警生產線上的突發狀況,避免造成巨大損失。茂宣專業技術經理王浚睿(圖1)說明,以晶圓廠為例,設備失效最嚴重的狀況,可能是產線停工所導致千萬元的損失。此外,CbM也能應用在公共建設與交通工具,如橋梁、飛機、火車系統中,能夠避免意外發生。 圖1  茂宣專業技術經理王浚睿表示,MEMS感測器採用CMOS製程,具有產品的一致性佳,對於低頻訊號的反應回饋良好 CbM的振動量測在感測器的選擇上,常見壓電式(Piezo)或微機電系統(MEMS)兩種類型。Piezo是市場上目前比較常見的震動感測器,使用陶瓷材料設計的壓電元件,只能手工量產,所以產出有限且成本較高,在低頻訊號方面的反應較為遲鈍,並容易受到環境溫度影響而出現飄移。相較Piezo,MEMS感測器採用CMOS製程,具有產品的一致性佳,對於低頻訊號的反應回饋良好,且雜訊強度(Noise Density)低、不容易因為溫度變化飄移等優勢,可以做為震動感測的選項之一。例如亞德諾半導體(ADI)的ADXL系列MEMS感測器除了噪聲比較低,還具備無線模組,使得感測器的布建更方便。 建置MEMS感測器時,需考慮位置、連接方式、馬達以外的機件、尺寸四大面向。王浚睿解釋,位置方面,尋找震動源之前,須確定量測的位置正確。如果測量的位置跟震動源距離太遠,或是傳導的時候震動幅度已經遞減,量到的訊號就不夠精確。同時,感測器連接的方式很多,找到正確的感測器型號來連接待測物是一大重點。各型號的感測器頻率響應曲線不同,須依照感測器標注的最大測量頻率選擇適合的類型。接著,確定在機械結構中欲測量的部分,才能確認震動所造成的異音為高頻或低頻訊號。最後,感測器的尺寸應取決於整體的配重。感測器不能比待測物重,以免影響待測物本身的震動狀況。 藉由CbM的應用,正確建置的MEMS感測器能隨時感知生產線上的震動狀況,並在出現異常現象時即時預警,避免設備問題而影響產線運作。此外,CbM為交通系統與大型公共建設維持安全性,促進工廠安全及城市安全的維護工作朝向自動化發展。 Wi-SUN具遠距傳輸/高穿透特性 智慧城市的應用與物聯網息息相關,未來物聯網將有非常多結點布建到城市中,海量的連線需求需要高覆蓋、穩定的通訊系統支援。濎通科技行銷經理呂沐勳(圖2)觀察物聯網通訊的痛點,遠端更新是必要的功能之一,因為軟體不斷更新,如果裝置不具備遠端更新的功能,就需要靠人力個別更新,不符合成本效益。電池方面,使用電池發電的裝置,需要考慮電池壽命,如果電池更換得太過頻繁便會拉高成本。同時,有些通訊協定由廠商自行開發,因此發展新應用時,必須諮詢原先制定協議定的公司,才能擴大發展相關應用,顯得限制重重。 圖2 濎通科技行銷經理呂沐勳認為,Wi-Sun技術適合應用在智慧城市、智慧能源等領域                   面對大範圍的無線網路傳輸需求,呂沐勳認為,Mesh組網的Wi-SUN技術可以解決前述的物聯網通訊痛點,適合應用在智慧城市、智慧能源等領域,如東京電力公司已全面使用Wi-SUN智慧電表,取代NB-IoT電表。Mesh組網具自適應的網路系統,可以自動組網,當環境中增加新的節點,Mesh組網會自動連線。另外,因為Mesh組網具備自動修復功能,如果網路中增加新的建築物,切斷原本的組網路徑,Mesh組網便會透過別的節點重新連接,維持連線順暢。 看好Wi-SUN的特性,濎通科技提出Wi-SUN通訊方案,採用RF及PLC的雙模融合技術,設計出整合線傳輸PLC跟無線傳輸的單晶片,運用演算法自動切換,在無線連線中斷時執行有線傳輸,有線傳輸中斷時則改用無線連接,達到同時滿足快速且穩定的長距離傳輸效果。 呂沐勳進一步說明,良好的物聯網通訊解決方案應具備三項特色,其一是無頻段授權/通訊費。以電信商營運的NB-IoT為例,在電信商的管理之下,每個節點都需要支付電信費用,導致傳輸成本較高。二則是具有長距離/高穿透/廣覆蓋,以及自動組網/自動修復功能,以濎通的VC7300為例,其優勢便在於可從地下2樓傳輸到地上6樓,滿足智慧電表的抄表需求。最後則是支援IPv6協定,才能讓每個節點都有身分認證,確保連線安全。 3D感測走入消費市場 感測技術與無線通訊的結合促使物聯網應用落地,而感測領域其中的一大趨勢即為3D感測。艾邁斯半導體台灣區總經理李定翰(圖3)提及,3D感測的應用越來越熱門,其發展主要聚焦在行動裝置、智慧家庭、工業自動化與自動駕駛四個面向。行動裝置上的應用演進最快,從過去以鏡頭為重心的設計,轉為加入距離測量、人臉辨識、虛擬實境遊戲、實境導航等功能。在安全驗證方面,智慧型手機及智慧建築的身分驗證不只透過指紋,更搭配臉部辨識提高安全性。同時隨著疫情出現戴口罩而難以辨識人臉的情境下,中國已研發出可以辨識戴口罩的臉部辨識系統。 圖3 艾邁斯半導體台灣區總經理李定翰指出,目前ToF的應用逐漸從iToF走向dToF 當3D感測應用在智慧家庭,以掃地機器人為例,過去的掃地機器人大多藉由放置虛擬牆或使用紅外線偵測決定移動路線。新一代放入ToF感測器的機器人,在清潔空間之前,會先行掃描環境,甚至搭配3D感測布建地圖,計算出最快速及省電的打掃路徑。如果將3D感測模組放入冰箱中,便能測量裡面的材積容量大小調整溫度,或者提出某些區塊的食物已經放超過一個禮拜的警示,達到省電與協助管理食材的效果。 李定翰表示,目前ToF的應用逐漸從iToF走向dToF。iToF的鏡頭有很多限制,在陽光下感測器很容易飽和,同時進行多工傳輸的路徑容易讓運算有問題。而dToF的量測則更為精確,可測量的距離也更遠。隨著電子元件及PVC的精確度、製程進步,dToF很快就會取代iToF,例如臉部辨識的變型,可以結合最新的dToF輔助演算。如線上購物廠商,為鞋子、衣服的尺寸數據建立資料庫,消費者只需要輸入身高、三圍,即可在網站上進行3D試穿模擬。 AI力助終端感測 除了3D感測,在AIoT市場,感測器的應用也開枝散葉,智慧醫療、智慧家庭、智慧城市、智慧農業,無處不見AI、IoT與感測器結合的應用。Arm應用工程總監徐達勇(圖4)舉例說明,醫療照護藉由生理感測預警疾病症狀;工業4.0藥品包裝產線,採用人工智慧視覺辨識,確認每個包裝內的藥品數量相同,或者透過震動感測確認工廠設備有無異常;農業中的蝦子養殖,運用AI影像辨識,確保蝦子的飼料不會因為過量而影響水質,也能隨時觀察蝦子的健康。 圖4 Arm應用工程總監徐達勇提及,Arm預估2020~2024年,每年AIoT裝置會有至少20%的成長 AI運算的位置分為雲端、本地及裝置三種,徐達勇指出,調查客戶希望AI運算的位置,53%的客戶青睞在裝置端運算,比較困難的特定需求再進行雲端運算。雲端運算雖然提供強大的算力,但是延遲問題、高頻寬需求、安全性跟隱私疑慮,促使多數客戶傾向選擇在裝置上運算。 雖然客戶偏好AI的終端運算,然而終端運算會面臨幾項挑戰。一是終端裝置的應用很重視使用者體驗,需要提高算力才能達到提高使用者體驗的目的。此外,終端裝置的設計重視成本控制,同時裝置電力來源多半是電池,因此低功耗也是設計重點。最後,不論選擇何種運算方式,隱私安全都是客戶重視的關鍵。對此,Arm近期設計的IP Cortex-M55便以加速AI運算為目標,特別加強DSP跟機器學習的運算能力。 如果採用通用處理器執行機器學習運算,相對的效能比較差,生產晶片的成本就會提高,所以此設計聚焦在DSP/機器學習的運算能力提升,並且提高處理器或能源的效率,達到降低功耗的目的。資安方面沿用Arm第8代MCU開始的TrustZone功能,處理器可以分成兩種執行模式,安全性比較敏感的內容就使用安全模式執行。 觀察AIoT的趨勢,徐達勇表示,Arm預估2020~2024年,每年AIoT裝置會有至少20%的成長,並且到年底之前,至少20%的終端裝置會具備機器學習功能。因此Arm專注AIoT的市場發展,IP瞄準AI終端裝置的效能需求設計,可望滿足未來不斷增加的市場需求。
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羅姆新VCSEL模組提高空間識別/測距雷射光源輸出功率

半導體製造商羅姆(ROHM)研發出全新VCSEL模組技術,透過雷射光源中VCSEL的輸出功率的提升,實現了空間識別和測距系統(TOF系統)的高精度化。 傳統採用VCSEL的雷射光源中,作為光源的VCSEL產品和用來驅動光源的MOSFET產品在電路板上皆是個別安裝的。在這種情況下,產品之間的布線長度(寄生電感)會影響到光源的驅動時間和輸出功率,因此將為高精度感測所需的短脈衝大功率光源帶來了局限性。 本次,ROHM將新VCSEL元件和MOSFET元件集中於單一模組封裝中,縮短元件間布線長度,可充分發揮各元件的性能,若使用不易受到陽光等外部干擾的光源短脈衝(10nS以內)來驅動,輸出功率也比傳統產品提升約30%。 事實上在評估時發現,採用由雷射光源(VCSEL模組)、TOF感測器(圖像感測器等感光感測器)、控制IC等,所組成的空間識別測距系統的VCSEL模組,對TOF感測器的反射光量比傳統產品增加了約30%,這將有助於提高TOF系統精度。 該VCSEL模組適用於需要高精度感測的行動裝置人臉識別系統,以及工控裝置 無人搬運車(AGV)等領域,產品預計於2021年3月之前推出。另外ROHM也正在進行高輸出雷射技術的研發,以滿足車電用LiDAR等市場需求。 近年來,在智慧手機的人臉識別系統和平板電腦的空間識別系統中,已開始將VCSEL作為雷射光源來使用,使其應用迅速普及。包括工控領域AGV和透過手勢、形狀識別的檢查系統應用也越來越普遍,預計未來VCSEL的需求將會大幅增加。 其中,在自動化相關應用中,需要光源可達成短脈衝驅動及更高輸出功率,以更進一步提升感測的精度。 ROHM為了提升量產中VCSEL產品的輸出功率,研發出全新VCSEL模組技術。同時透過短脈衝驅動和高輸出功率,進一步提升空間識別和測距系統精度。
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3D感測搭上5G 2021年VCSEL總產值挑戰18億美元

根據TrendForce旗下光電研究處表示,2020年初原預估將有10款以上高階機種可能搭載3D感測方案,有望帶動3D 感測用VCSEL(3D感測模組中的發射器元件)總產值至14.04億美元。然新冠肺炎疫情重挫全球手機出貨表現,加上近年印度消費市場拉升中低階手機的需求量,進而減緩手機品牌廠推動高階機種導入3D感測方案的速度。推估2020年行動裝置 (手機與平板電腦) 搭載3D 感測用VCSEL總產值將下修至12.07億美元,年成長12%。 TrendForce分析師吳盈潔表示,目前3D感測為手機品牌廠旗艦機在規格競賽中的重要指標,主要應用於後鏡頭,功能包含測距、圖片虛化效果、3D物體識別、空間建模與擴增實境,未來將進一步搭配5G傳輸功能,成為高階機種的標準配備,預計2021年3D 感測用VCSEL總產值將上看18.42億美元,年成長達53%。 目前3D感測主要供應商為ams、Finisar、OSRAM、II-VI、Lumentum、SONY、全新、光寶、宏捷科、穩懋等。目前應用於消費性電子產品市場的3D感測方案,包含結構光、飛時測距(ToF)、主動雙目視覺等功能,其中飛時測距(ToF)使用範圍廣泛,且具有反應速度快、識別範圍大等優勢。 目前蘋果(Apple)與三星(Samsung)已分別在iPhone、iPad Pro等產品,以及S20+、S20 Ultra 5G等機型採用飛時測距功能,直接式飛時測距更具備省電的優勢,未來若結合5G傳輸,以擴增實境搭配手勢控制,將進一步強化互動式體驗效果。另外,3D感測方案也可透過擴增實境進行室內陳設,或作為房屋改建、空間增建的設計基礎;甚至進一步與遊戲整合,預期將有機會透過異業合作帶來另一波商機。  
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意法FlightSense ToF感測器 助於社交距離感知應用

意法半導體(STMicroelectronics, ST)運用其高精度接近偵測及測距感測器,協助客戶開發創新的傳染病防護裝置,以因應全球蔓延之疫情所帶來的挑戰。 成立於阿姆斯特丹的新創公司Aura Aware使用意法FlightSense飛行時間(Time-of- Flight, ToF)技術研發出攜帶式智慧社交距離感知裝置。該裝置適用於零售櫃檯和銷售據點,安裝簡單,在正常情況下,裝置上的綠色訊號燈會亮起,如果有人跨過最低安全距離,訊號燈將由綠色變為紅色。 Aura Aware裝置整合最大測距四公尺、低功耗的意法VL53L1CX高功率密度ToF感測器。其內建訊號處理功能,可以簡化產品設計,並提供諸如串擾補償的先進功能,即使感測器視窗被異物遮擋,也能保持正常的測量精度。 意法的飛行時間感測器會發射光子,並根據反射光子折返至感測器所費時間來計算感測器到目標的距離,測距精度不受物件表面特性的影響,例如測距物件的衣服顏色或皮膚反射率。 ToF的感測速度和精度使FlightSense感測器能夠處理基本的開關功能,幫助使用者避免接觸安裝人流較大地區之設備設施的表面,包括觸控自助機、智慧水龍頭和按鈕式門禁開關,還能夠偵測和理解敲擊螢幕、揮手等手勢,進行非接觸式智慧人機互動。且良好的短距離測量的回應線性能力讓ToF感測器可以偵測給皂機的洗手液容量或口罩等個人防護用品的數量。
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多鏡頭結合感測應用帶來強勁需求 相機模組市場規模步步高

據研究機構Yole Developpement預估,在智慧型手機競相採用雙鏡頭、甚至多鏡頭的設計趨勢,加上結構光感測等基於飛時(ToF)原理的測距應用需求帶動下,全球相機模組的市場規模將從2019年的313億美元成長到2025年的510億美元,複合年增率(CAGR)約10.5%。 Yole Developpement分析師Richard Liu表示,智慧型手機大約從2015~2016年這段期間開始流行起雙鏡頭設計,並在2018~2019年間升級成三鏡頭。從2020年起,搭載四鏡頭的智慧型手機,將開始出現在市場上。隨著手機上搭載的鏡頭數量越來越多,市場對相機模組的需求也跟著水漲船高,成為支撐相機模組市場成長的最主要動能。 另一方面,除了用來取得影像的相機模組外,為了各種感測應用而設計的特殊鏡頭,在手機上的使用量也越來越多。舉例來說,用來執行3D臉部感測的結構光感測模組、為擴增實境(AR)應用提供距離量測數據的飛時測距(ToF)模組,以及安裝在手機螢幕下方的光學指紋感測模組,本質上也都是相機模組。 除了手機之外,隨著先進駕駛輔助系統(ADAS)幾乎成為新車的標準配備,車載相機模組的市場規模也呈現快速成長的態勢。2019年時,車載相機模組的市場規模已達到40億美元,成為繼智慧型手機之外,另一個相機模組的主要市場。  
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意法推新ToF感測器 實現工業個人電子裝置多目標測距

出貨量逾10億的飛行時間(Time-of-Flight, ToF)解決方案商意法半導體(ST),推出採用分布統計演算法專利的新產品VL53L3CX,進一步擴大其FlightSense ToF測距感測器的產品範圍。新產品可以測量多個目標的距離,而且測距準確度更高。 VL53L3CX的測距範圍為2.5公分至3公尺,相較於傳統紅外感測器,測量準確度不受目標物體的顏色影響,使終端產品設計人員能夠在產品中導入強大的新功能,例如,使佔用感測器能夠忽略不需要的背景或前景物體,提供正確無誤的占用狀態探測,或者在感測器視野範圍內以及既定條件下報告多個目標的準確距離。 意法半導體的分布統計演算法專利可提升感測器對玻璃蓋板串擾的抗擾性,並提供即時污痕補償功能,防止外部污染影響測距準確度,例如,在多塵工業環境中工作的真空吸塵器或其他設備。另外,環境光下的測距性能也得到了改善。 此外,VL53L3CX的線性度亦非常出色,可提升短距離測量的準確度,進而提升服務機器人、吸塵器等設備的循牆、懸崖偵測和避障能力,意法半導體在這些商業市場取得了巨大的成功。與所有FlightSense感測器一樣,VL53L3CX同樣採用功率密度高的多合一封裝設計,可以簡化感測器與裝置的整合,而低功耗有助於延長電池續航時間。 ToF感測器為各種應用帶來卓越的測距性能,使大樓自動化和照明控制器的佔用偵測更加可靠、物聯網端點裝置的接近感測更智慧、攜帶式裝置的自動喚醒更方便,以及自動衛浴設備的使用者偵測更穩健。ToF感測器的高精度和快速回應還強化了機器人、室內無人機等對精確動作控制有較高要求的設備性能。
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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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英飛凌攜手高通強化高品質標準3D驗證

英飛凌(Infineon)與高通(Qualcomm)攜手開發基於Qualcomm Snapdragon 865行動平台的3D驗證參考設計,進而擴展3D感測器技術在行動裝置的應用範圍。該參考設計採用REAL3 3D飛時測距(ToF)感測器,為智慧型手機製造商提供標準化、成本效益與方便設計整合等優勢。近四年來,英飛凌的3D ToF感測器技術已活躍於行動裝置市場。不僅如此,英飛凌亦於美國拉斯維加斯舉行的2020年CES(國際消費性電子展)中展示小尺寸(4.4mm×5.1mm)、功能強大,具有VGA解析度的3D影像感測器,可實現出色的人臉識別、強化相片功能以及逼真的擴增實境體驗。 英飛凌電源管理與多元電子事業處總裁Andreas Urschitz表示,現今的智慧型手機不僅是一種資訊媒介,而且正逐步肩負起安全和娛樂的功能。3D感測器能支援新的用途和應用,如安全驗證或透過臉部辨識進行支付。該公司持續專注在這塊市場,設定了明確的成長目標。本次雙方合作開發採用REAL3影像感測器的參考設計,凸顯該公司在這塊領域的潛力與發展雄心。英飛凌與專注於軟體及3D時差測距系統領域的pmdtechnologies公司合作開發3D ToF感測技術。 從2020年3月開始,英飛凌的REAL3 ToF感測器將首度在5G智慧型手機上實現影片散景 (Bokeh)功能,即使在動態影像中也可呈現出良好影像效果。該款應用借助精準的3D點雲演算法和軟體來處理接收到的3D影像數據。3D影像感測器會捕捉從使用者和掃描物件反射的940nm紅外線,還利用高階數據處理來實現精準的深度測量。獲得專利的背景照明抑制(SBI)技術,讓無論是強烈的日照或黑暗的室內環境,都能在任何光照條件下提供寬廣的動態量測範圍,確保高穩健性,同時不會降低數據處理品質。
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ams整合IR照明 強化臉部識別/後置相機3D功能

艾邁斯半導體(ams)日前宣布推出Merano Hybrid產品,該模組產品將紅外線(IR)泛光照明器的所有電子和光學零組件以及VCSEL驅動器整合到單一的緊密封裝,協助OEM廠商較易掌握熱門的3D功能。 ams副總裁暨3D感測模組和解決方案事業部門總經理Lukas Steinmann表示,得益於ams在先進光電技術方面的專業知識,Merano Hybrid模組是可以量產方案中,面積較小且帶有VCSEL驅動器的IR泛光照明系統。現在,手機製造商可以大幅減少開發時間並降低3D功能的開發風險,放心採納此一效能經過驗證的商用泛光照明解決方案。 高能源效率的2W Merano-Hybrid適用於最新的3D感測技術,包括飛時測距(ToF)和結構光方法。包括臉部識別、擴增現實、3D物件掃描和3D圖像渲染等應用以及其他工業和汽車應用都將是Merano Hybrid的適用範圍。 泛光照明器包括一個IR雷射發射器,一個控制雷射運作的驅動器,一個用於形成光束的透鏡和擴散器以及各種安全和保護功能,可提供調變後的光輸出,例如,行動電話的臉部識別系統於用戶使用時即時偵測。 隨著Merano Hybrid的推出,OEM廠商可以使用一個完整的、可立即投入生產的模組。該模塊採用表面安裝的5.5mm×3.6mm封裝,高度僅為3.7mm。相較於由分離元件組裝而成的大型系統,整合在優化模組封裝中得以明顯節省空間,使得泛光照明器系統更容易被設計於手機的空間內。而ams還在Merano Hybrid模組中內建了專用的光電二極管和互鎖迴路(Interlock Loop),用於眼睛安全監控。這大幅減少了OEM廠商欲獲得Class 1 眼睛安全認證所需的額外工程付出。
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