Использование eGaN-транзисторов в лидарах. Часть 1

Данная статья является первой частью перевода руководства «APPLICATION NOTE: AN027 eGaN FETs for Lidar – Getting the Most Out of the EPC9126 Laser Driver Getting the Most» от компании epc. В ней рассматривается принцип работы и основные особенности лидаров, а также проводится краткий обзор референсных драйверов EPC9126 и EPC9126HC
649
В избранное

Лидар представляет собой оптический радар, работающий с электромагнитным излучением оптического диапазона [1, 2]. В последнее время наибольшую популярность получили лидары, измеряющие время пролета луча (time-of-?ight, TOF). Если в качестве источника оптического излучения использовать лазер, то можно измерять расстояния до объектов, расположенных даже на большом удалении. Кроме того, при наличии управляемой оптики удается не просто измерять расстояния, но и создавать трехмерные модели объектов в окружающем пространстве (рис. 1).

Принцип действия лидара

Рис. 1. Принцип действия лидара

Чтобы продемонстрировать эффективность использования eGaN-транзисторов в лидарах, компания EPC разработала референсные лазерные драйверы EPC9126 и EPC9126HC [3, 4]. Каждый из драйверов имеет собственное руководство по быстрому запуску, в котором приводится основная информация по настройке и эксплуатации, а также принципиальная схема и перечень используемых компонентов. Производственные файлы для печатных плат также находятся в свободном доступе.

Принципиальная схема лазерных драйверов выглядит достаточно просто. Однако на работу схемы сильно влияют паразитные параметры, которые разработчики обычно привыкли игнорировать. Настоящее руководство отвечает на общие вопросы, связанные с лидарами, а также содержит подробную информацию, позволяющую разработчикам добиваться максимальной отдачи от своих драйверов.

Стоит отметить, что при ознакомлении с референсными драйверами EPC9126 и EPC9126HC следует использовать данное руководство совместно с руководствами по быстрому запуску, о которых уже говорилось выше.

Требования к лазерам и лазерным импульсам

В TOF-лидарах обычно используются полупроводниковые лазерные диоды ближнего инфракрасного диапазона (NIR), эпитаксиальные лазеры с боковым излучением, а также поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL). Для примера на рис. 2 представлены фотографии лазерных диодов [5, 6]. С электрической точки зрения принцип работы лазерного диода достаточно прост. Когда прямой ток через диод превышает определенное пороговое значение, начинается генерация лазерного излучения. Оптическая мощность этого излучения практически пропорциональна прямому току. Если производить возбуждение лазера импульсным током, на выходе можно получить импульсные сигналы света [7]. Лазерный импульс характеризуется двумя основными параметрами: длительностью и энергией, которые в свою очередь определяют разрешение и дальность действия лидаров.

Примеры лазерных диодов, используемых в TOF-лидарах

Рис. 2. Примеры лазерных диодов, используемых в TOF-лидарах

Длительность импульса оказывает большое влияние на разрешение лидара [8, 9]. Эта особенность поясняется на рис. 3 на примере двух случаев. В первом случае используются короткие импульсы (верхняя часть рис. 3), а во втором длинные импульсы (нижняя часть рис.а 3). В процессе измерений световой импульс сначала движется от лидара к объекту, а потом возвращается обратно. Таким образом, время пролета оптического сигнала td непосредственно связано с расстоянием до объекта d:

td = 2d/ с     (1)

где c - скорость света в воздухе, которая приблизительно составляет 30 см/нс. Измеряя время td, можно вычислить расстояние до объекта d.

Теперь предположим, что мы посылаем не короткие, а длинные импульсы, как показано на нижней части рис. 3. Если длина импульсов становится достаточно большой, то импульсы, отраженные от разных объектов, начинают перекрываться (в нашем случае от машины и от мотоцикла). В результате детектирование объектов усложняется.

Влияние длительности импульса на разрешение

Рис. 3. Влияние длительности импульса на разрешение.
Вверху: узкие импульсы позволяют легко различать объекты. Внизу: широкие импульсы могут перекрываться, затрудняя обнаружение объектов.

Чтобы было понятней, рассмотрим пример с конкретными цифрами. Если длительность импульса тока возбуждения составляет 1 нс, то свет, сгенерированный лазером, за это время успевает пройти около 30 см, то есть длина оптического импульса будет 30 см. Если расстояния от лидара до двух расположенных рядом объектов отличаются менее чем на 15 сантиметров, то отраженные оптические импульсы будут перекрываться, из-за чего сами объекты будет сложно различать. Хотя существуют методы увеличения разрешения при работе с импульсами большой длительности, тем не менее, очевидно, что использование более коротких импульсов обеспечивает лучшую точность. Чтобы работать с объектами, сравнимыми по размеру с человеком, требуются импульсы с длительностью от нескольких нс и менее.

Энергия импульса определяет дальность действия лидара. Так как для получения высокого разрешения требуется уменьшать длительность импульса, то для поддержания достаточной выходной оптической энергии необходимо увеличивать ток возбуждения. Типовой импульсный ток может варьироваться от нескольких единиц до сотен Ампер. Для большинства лазерных диодов номинальный импульсный ток лежит в диапазоне нескольких десятков Ампер. Обычно в документации также указывают параметры испытаний, например, частота следования импульсов (PRF) = 1 кГц, ширина импульса tw = 100 нс, пиковый ток IDLpk = 30 A, рабочая температура TOP = 23-25 °C. Для лазеров с тройным переходом пиковая электрическая входная мощность лазеров достигает 300 Вт. Чтобы предотвратить перегрев кристалла лазера, ограничивают частоту следования импульсов. Обычно для типовых приложений коэффициент заполнения не превышает 0,1%. При этом для увеличения пиковой оптической мощности могут использоваться более высокие токи при условии ограничения длительности импульсов.

В типовых коммерческих лидарах лазеры обычно работают с токами возбуждения в диапазоне от нескольких единиц до сотен Ампер, а длительность импульсов, как правило, составляет от 1 нс до 10 нс. В следующем разделе данной статьи поясняется, каким образом можно обеспечить высокую импульсную мощность.

Лазерные драйверы

В типовом лазерном драйвере для коммутации лазерного диода используется мощный полупроводниковый ключ. При этом скорость коммутаций ограничивается быстродействием этого ключа, а также его паразитной индуктивностью. В последнее время на рынке появились недорогие нитрид-галлиевые транзисторы (GaN), которые отличаются минимальной индуктивностью и для которых показатель качества переключений (FOM) оказывается в 10 раз выше, чем у кремниевых аналогов [10]. На рис. 4 показан eGaN-транзистор EPC2016C, имеющий рейтинг напряжения 100 В и способный выдерживать импульсы тока до 75 А [11].

eGaN-транзистор EPC2016C 100 В, 75 А, 16 мОм имеет размеры 2,1 мм х 1,6 мм

Рис. 4. eGaN-транзистор EPC2016C 100 В, 75 А, 16 мОм имеет размеры 2,1 мм х 1,6 мм.
Для автомобильных приложений существует полный аналог – EPC2212, соответствующий требованиям AEC-Q101 [12]

Благодаря повышенной эффективности, eGaN-транзисторы обеспечивают значительное увеличение скорости переключения по сравнению с кремниевыми МОП-ключами. Они способны формировать токовые импульсы длительностью менее 2 нс и работать с токами более 100 А [13, 14]. Пока столь высокие показатели быстродействия и нагрузочного тока не удается реализовать одновременно, но по словам производителей, eGaN - это дело времени.

Существует несколько разновидностей топологий лазерных драйверов. Как правило, для получения высокой мощности используют либо схему резонансного драйвера с управлением по фронту, либо схему лазерного драйвера с токовым ограничением и контролем по фронту и срезу. Поскольку в высокоскоростных приложениях чаще применятся именно резонансный лазерный драйвер, то далее в статье рассматривается именно эта схема.

Референсные лазерные драйверы EPC9126 и EPC9126HC

Лазерный драйвер EPC9126 – это универсальная платформа для тестирования производительности eGaN-транзисторов и лазерных диодов. В драйверах EPC9126 и EPC9126HC используется одна и та же печатная плата. Между собой эти драйверы отличаются всего несколькими компонентами. EPC9126 формирует более короткий импульс возбуждения с меньшим пиковым током, тогда как EPC9126HC формирует импульсы с увеличенной длительностью и более высоким током. Основные различия между драйверами приведены в Таблице 1. Так как EPC9126 и EPC9126HC практически идентичны, то далее в статье для их обозначения будет использоваться общее именование EPC9126xx.

По умолчанию оба драйвера используют емкостную резонансную схему. Принцип работы и расчет этой схемы представлены в следующих разделах.

Таблица 1. Различия между драйверами EPC9126 и EPC9126HC

Параметр

EPC9126

EPC9126HC

Транзистор

EPC2016C

EPC2001C

Импульсный ток

75 A

150 A

Шунт

102 мОм

94 мОм

Резонансная емкость

1,1 нФ

2,8 нФ

Схема емкостного резонансного лазерного драйвера

На рис. 5 показана упрощенная схема емкостного резонансного лазерного драйвера, а диаграммы его токов и напряжений представлены на рис. 6.

Емкостной резонансный лазерный драйвер

Рис. 5. Емкостной резонансный лазерный драйвер

Осциллограммы токов и напряжений емкостного резонансного лазерного драйвера

Рис. 6. Осциллограммы токов и напряжений емкостного резонансного лазерного драйвера

Рассмотрим работу драйвера, полагая, что Q1 является идеальным ключом, а DL – идеальным диодом с фиксированным прямым падением напряжения VDLF. Изначально транзистор Q1 находится в разомкнутом состоянии, поэтому iDL = 0. Конденсатор С1 заряжается до входного напряжения V1 = VIN через сопротивление R1. В момент времени t = t0, открывающее напряжение Vcommand подается на затвор Q1. К моменту t = t1 транзистор оказывается полностью открытым. Далее происходит разряд C1 через лазерный диод DL и индуктивность L1. C1 и L1 образуют резонансный контур, следовательно, iDL и vC1 изменяются по синусоидальному закону. Из-за прямого падения лазерного диода эффективное начальное напряжение конденсатора составляет VC1,0 = VIN - VDLF. В момент времени t = t2 ток iDL уменьшается до нуля, а VC1 = 2 VDLF - VIN. Так как диод DL находится под обратным смещением, то он предотвращает протекание тока в обратном направлении. Далее происходит перезаряд конденсатора С1 через R1. Транзистор Q1 выключается до того, как V1 пересекает ноль при t = t3.

Постоянная времени зарядка конденсатора τchrg и период резонанса tres определяются следующим образом:

τchrg = R1C1     (2)
                                                                                                                                                    formula3.png (848 b)

Как правило, τchrg >> tres, поэтому R1 мало влияет на резонанс L1 – C1. Резонансный импеданс R0 определяется как:

formula4.png (705 b)

formula5.png (1 KB)

Преимуществами предложенной топологии лазерного драйвера являются:

  • Возможность полезного использования паразитной индуктивности;
  • Формирование стабильной формы импульса;
  • Простое управление энергией импульса за счет изменения VIN;
  • Использование силового транзистора нижнего плеча, что упрощает управление;
  • Необходимость точного контроля только при включении транзистора (управление по фронту);
  • Ширина импульса лазерного тока может быть меньше, чем минимальная длительность управляющего сигнала затвора.

Влияние паразитной индуктивности

Мы можем рассчитать пиковый ток лазерного диода IDLpk, используя следующее уравнение:

formula6.png (902 b)

Индуктивность оказывает большое влияние на схему. Из уравнений (3), (4), (5) и (6) можно вывести уравнение для VIN:

Уравнение 7 показывает зависимость входного напряжения VIN от паразитной индуктивности L1, пикового тока, ширины импульса и прямого падения на лазерном диоде. Из формулы 7 видно, что VIN линейно увеличивается с ростом L1. Пример расчета VIN представлен на рис. 7 для случая IDLpk = 30 А, tw = 4 нс и VDLF = 9 В.

Зависимость входного напряжения VIN от индуктивности L1 для IDLpk = 30 А, tw = 4 нс и VDLF = 9 В

Рис. 7. Зависимость входного напряжения VIN от индуктивности L1 для IDLpk = 30 А, tw = 4 нс и VDLF = 9 В

Характеристики силового ключа

Приведенный выше анализ предполагает идеальное переключение силового транзистора, но реальные транзисторы имеют ненулевое время переключения и характеризуются током насыщения. Кроме того, они могут иметь значительную индуктивность корпуса и выводов. Как было показано выше (формула 7), рост индуктивности приводит к необходимости увеличения входного напряжения для получения заданной формы импульса. Кроме того, большая индуктивность замедляет включение транзистора.

До недавнего времени в лидарах использовались традиционные кремниевые МОП-транзисторы. Однако именно кремниевые ключи становятся ограничивающим фактором сразу по двум причинам. Во-первых, они имеют большой заряд затвора из-за значительных размеров кристалла. При этом большой кристалл является обязательным условием достижения требуемых значений токов и напряжений. Значительный заряд затвора приводит к замедленному включению МОП-транзисторов [15]. Во-вторых, современные мощные импульсные МОП-транзисторы, как правило, имеют вертикальную структуру с размещением контактных площадок на обеих сторонах кристалла. Это вынуждает производителей использовать корпуса, которые увеличивают паразитную индуктивность, как в цепи сток-исток, так и в цепи затвора [16]. Первая составляющая приводит к необходимости увеличения входного напряжения VIN, а значит, к дополнительному увеличению кристалла, а затворная составляющая еще больше замедляет включение транзистора.

В последнее время на рынке появились относительно недорогие нитрид-галлиевые ключи. Они имеют целый ряд преимуществ по сравнению с кремниевыми МОП-транзисторами. Во-первых, их входная емкость CISS оказывается в 10 раз меньше, чем у кремниевых аналогов с сопоставимым номинальным током [17]. Это позволяет GaN-транзисторам включаться намного быстрее. Во-вторых, GaN-транзисторы представляют собой планарные устройства. Они могут использовать корпусное исполнение WLCSP, которое характеризуется чрезвычайно низкой индуктивностью, отличными тепловыми характеристиками, высокой надежностью и минимальной стоимостью. В третьих, кристаллы GaN-ключей оказываются намного меньше, чем у кремниевых МОП-транзисторов со сравнимыми показателями напряжений и токов, что дополнительно снижает индуктивность. Последнее обстоятельство также позволяет плотнее располагать лазеры в многоканальных лидарах [18].

Следующая часть статьи будет посвящена особенностям расчета компонентов драйвера, а также рассмотрению некоторых аппаратных особенностей референсных драйверов EPC9126xx.

Литература:

[1] J. Glaser, “How GaN Power Transistors Drive High-Performance Lidar: Generating ultrafast pulsed power with GaN FETs,” IEEE Power Electronics Magazine, vol. 4, Mar. 2017,

  1. 25–35.

[2] P. McManamon, Field Guide to Lidar, SPIE, 2015.

[3] EPC9126 Lidar Demo Board

[4] EPC9126HC Lidar Demo Board

[5] OSRAM Opto Semiconductors Inc., “SPL PL90_3 Datasheet,” 2015.

[6] Excelitas Technologies, “Surface Mount 905 nm Pulsed Semiconductor Lasers Datasheet,” 2016.

[7] S. Morgott, “Range Finding Using Pulse Lasers,” Regensberg, Germany: Osram Opto Semiconductors, 2004.

[8] S.A. Hovanessian, Radar System Design and Analysis, Norwood: Artech House, Inc, 1984.

[9] M. Andersson and J. Kjörnsberg, “Design of Lidar-system,” Lund University, 2014.

[10] A. Lidow, J. Strydom, M. de Rooij, and D. Reusch, GaN Transistors for Efcient Power Conversion, Wiley, 2015.

[11] Efcient Power Conversion Corp., “EPC2016C data sheet,” 2018.

[12] Efcient Power Conversion Corp., “EPC2022 data sheet,” 2018.

[13] J. Glaser, “ High Power Nanosecond Pulse Laser Driver using a GaN FET”, PCIM Europe 2018 Proceedings, 2018.

[14] J.Glaser, “ Kilowatt Laser Driver with 120 A, sub-10 nanosecond pulses in < 3 cm2 using a GaN FET”, PCIM Asia 2018 Proceedings, 2018.

[15] R.W. Erickson and D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Springer, 2001.

[16] M. Pavier, A. Woodworth, A. Sawle, R. Monteiro, C. Blake, and J. Chiu, “Understanding the E?ect of Power MOSFET Package Parasitics on VRM Circuit Efciency at Frequencies

above 1 MHz,” PCIM Europe 2003 Proceedings, 2003.

[17] D. Reusch, J. Strydom, and A. Lidow, “A new family of GaN transistors for highly efcient high frequency DC-DC converters,” 2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and

Exposition (APEC), 2015, pp. 1979–1985.

[18] Velodyne Lidar Inc., “Velodyne Lidar Puck VLP-16 data sheet,” 2017.

[19] D. Reusch and J. Strydom, “Understanding the e?ect of PCB layout on circuit performance in a high frequency gallium nitride based point of load converter,” 2013 Twenty-Eighth

Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2013, pp. 649–655.

[20] Efcient Power Conversion Corp., “EPC9126 Lidar Development Board Quick Start Guide, Rev. 2.5,” 2016.

[21] Efcient Power Conversion Corp., “EPC9126HC Lidar Development Board Quick Start Guide, Rev. 1.0,” 2017.

[22] H. Johnson and M. Graham, High-Speed Digital Design – A Handbook of Black Magic, Prentice Hall PTR, 1993.

[23] J. Weber, Oscilloscope Probe Circuits, Tektronix Inc., 1969.

[24] Tektronix Inc, “20X Low Capacitance Probe – P6158 Datasheet,” 2017

[25] J. Williams, “AN98 Signal Sources, Conditioners, and Power Circuitry – Circuits of the Fall, 2004: Nanosecond Pulse Width Generator,” Linear Technology Corporation, 2004.

[26] http://ucanr.edu/blogs/green//blogfles/11605_original.png

[27] Susumu 2018 Product Catalogue (EN), 2018-04-06, pp. 53-54. 2018

Производитель: Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EPC9112
EPC9112
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 2200581 ИНФО PDF
Поиск
предложений
EPC9112 - оценочный набор систем беспроводной передачи энергии. A4WP compatible, ZVS Class-D Wireless Power System
EPC9112
-
Поиск
предложений
EPC9013
EPC9013
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 2200690 ИНФО PDF
Доступно: 1 шт. от: 8890 руб.
Отладочная плата EPC9013 на основе четырех параллельных полумостов, собраных на 100 В eGAN транзисторах EPC2001C с максимальным рабочим током до 35 А.
EPC9013 8890,00 от 3 шт. 8890,00 от 5 шт. 8890,00
1 шт.
(на складе)
EPC9126HC
EPC9126HC
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 2607887 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
100 V High Current Pulsed Laser Diode Driver Demo Board
EPC9126HC
-
Поиск
предложений
EPC9126
EPC9126
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 2607888 ИНФО AN
Поиск
предложений
EPC9126 – генератор импульсов для питания лазерных диодов.
EPC9126
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()