Comprendre le rôle des circuits d'attaque, des commutateurs et des diodes laser pour des performances LiDAR efficaces

Les systèmes de détection et télémétrie par ondes lumineuses (LiDAR) sont devenus la méthode privilégiée pour permettre à une voiture, à un véhicule à guidage automatique (AGV) ou même à un aspirateur robot de « voir » son environnement. Les drones et les aéronefs volant à plus haute altitude utilisent également le LiDAR pour naviguer et cartographier le terrain à de plus grandes distances.

Même si le LiDAR a fait l'objet de nombreuses études, les concepteurs doivent sélectionner avec soin les composants clés tels que le circuit d'attaque de grille, le FET de commutation de grille et la diode laser nécessaires pour créer les impulsions optiques.

Cet article fournit un aperçu du LiDAR. Il présente ensuite des exemples de composants électro-optiques critiques et montre comment ils fonctionnent ensemble pour générer les impulsions nécessaires.

Fonctionnement du LiDAR

Le LiDAR fonctionne en envoyant un flux continu d'impulsions optiques courtes de puissance modérée, puis en capturant leurs réflexions. Il mesure le temps de vol (ToF) pour créer un nuage de points de l'environnement dans une perspective tridimensionnelle (3D) (Figure 1). De nombreux systèmes utilisent plusieurs diodes laser dans une matrice pour une couverture de zone plus large.

Figure 1 : L'approche LiDAR crée un nuage de points qui fournit une représentation 3D de l'environnement. (Source de l'image : Blickfeld GmbH)

L'application détermine les performances d'un système LiDAR. Un système utilisé pour un AGV ou un aspirateur robot se déplaçant lentement dans une zone limitée a des exigences de portée et de résolution angulaire beaucoup moins strictes qu'un système utilisé dans une voiture, qui doit faire face à des vitesses plus élevées et être capable de réagir aux véhicules, aux cyclistes ou aux piétons. Les chiffres souvent cités comme objectifs de performances de haut niveau pour les applications automobiles sont une portée effective de 100 m à 200 m et une résolution angulaire de 0,1°.

Un galvanomètre électromécanique à deux axes balaie les flashs laser sur la zone de l'image pour obtenir un nuage de points précis. Étant donné que le système LiDAR mesure le temps de vol pour chaque impulsion émise et son retour associé, il peut créer une image 3D avec la perspective de profondeur nécessaire pour que les véhicules puissent naviguer avec précision dans leur environnement.

Le chemin électro-optique au cœur du LiDAR

Un système LiDAR complet, tel que celui utilisé dans un AGV, requiert un ensemble diversifié de blocs optiques, analogiques, de processeurs et mécaniques interconnectés. Le cœur du système est le chemin électro-optique, qui comprend une source optique laser et un récepteur optique co-localisé (Figure 2).

Figure 2 : Le trajet du signal électro-optique et les composants associés constituent le cœur d'un système LiDAR (côté droit, rangée du milieu). (Source de l'image : ROHM)

Le trajet du signal de la source qui crée le flux d'impulsions optiques est contrôlé par un microcontrôleur (MCU) dédié, qui détermine la largeur et la fréquence de répétition des impulsions optiques souhaitées. Le trajet source comporte trois éléments fonctionnels clés :

• Le circuit d'attaque de grille fournit des impulsions haute vitesse avec des temps de montée et de descente rapides pour activer et désactiver le commutateur de grille.
• Le FET de commutateur de grille s'active et se désactive avec précision pour contrôler le flux de courant de la diode laser.
• La diode laser crée des impulsions optiques indépendantes qui ne se chevauchent pas à la longueur d'onde requise.

La sélection et l'intégration de ces composants nécessitent une compréhension des problèmes électriques ainsi que des caractéristiques optiques telles que le champ de vision, la puissance de la diode laser, la sensibilité angulaire de la longueur d'onde et le rapport signal/bruit (SNR) optique. Des algorithmes logiciels avancés peuvent surmonter certaines limitations dans les trajets de signaux électro-optiques et les défis dans l'environnement détecté. Cependant, il est prudent de choisir des composants optimisés pour le LiDAR plutôt que de supposer que ces algorithmes peuvent compenser les lacunes.

Un aperçu d'un composant représentatif pour chacune de ces fonctions illustre comment les dispositifs optimisés pour le LiDAR relèvent les nombreux défis :

Circuit d'attaque de grille

Le BD2311NVX-LBE2 de ROHM Semiconductor (Figure 3) est un circuit d'attaque de grille GaN ultra-rapide à un canal, parfaitement adapté aux applications industrielles telles que les AGV. Il offre la combinaison nécessaire de tension et de courant de commande. Il est disponible en boîtier à 6 broches mesurant seulement 2,0 mm × 2,0 mm × 0,6 mm, et il peut fournir jusqu'à 5,4 A de courant de sortie avec une plage de tensions d'alimentation de 4,5 V à 5,5 V.

Figure 3 : Le circuit d'attaque de grille à un canal BD2311NVX-LBE2 fournit la combinaison nécessaire de courant et de tension de commande pour contrôler avec précision un commutateur de grille LiDAR. (Source de l'image : ROHM)

Le BD2311NVX-LBE2 peut commander des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) GaN et d'autres dispositifs de commutation avec des impulsions de sortie étroites, contribuant ainsi à la longue portée et à la haute précision du LiDAR. Ces paramètres liés aux impulsions incluent une largeur d'impulsion d'entrée minimum de 1,25 ns, un temps de montée typique de 0,65 ns et un temps de descente typique de 0,70 ns, et ce, avec une charge de 220 pF. Les délais d'activation et de désactivation sont respectivement de 3,4 ns et 3,0 ns.

FET de commutateur de grille

La sortie du circuit d'attaque de grille se connecte à l'entrée de commande du dispositif de commutation de contrôle de courant. Ce dispositif doit basculer rapidement entre les états activé et désactivé selon les instructions du circuit d'attaque de grille et gérer des valeurs de courant relativement importantes, généralement de 50 A à 100 A.

Le niveau de performances requis est disponible en utilisant des dispositifs tels que l'EPC2252 d'EPC, un transistor de puissance GaN à enrichissement à canal N qualifié automobile (AEC-Q101). Il présente une mobilité électronique exceptionnellement élevée et un faible coefficient de température pour une très faible résistance à l'état passant (R_DS(ON)), tandis que sa structure latérale et sa diode à porteurs majoritaires fournissent une charge de grille (Q_G) totale exceptionnellement faible et une charge de récupération source-drain (Q_RR) nulle. Il en résulte un dispositif capable de gérer des tâches dans lesquelles une fréquence de commutation très élevée et un temps d'activation réduit sont bénéfiques, et où les pertes à l'état passant prédominent.

La tension drain-source (V_DS) de 80 V, la résistance R_DS(ON) de 11 mΩ (maximum) et le courant de drain continu (I_D) de 8,2 A de l'EPC2252 reflètent seulement une partie de ses performances. Il est facile à utiliser, requiert une commande de grille à l'état passant de seulement 5 V, 0 V pour l'état bloqué, et n'a pas besoin de tension négative. Cela simplifie à la fois les considérations relatives au circuit d'attaque et au rail d'alimentation.

En raison de sa conception et de la disposition de la puce, le commutateur de grille peut supporter un courant I_D de 75 A (T_PULSE de 10 µs), et il est conditionné sous forme de puce passivée mesurant 1,5 mm × 1,5 mm avec neuf perles de soudure de contact (Figure 4). Les parasites de boîtier et de puce réduits, tels que la capacité d'entrée (C_ISS) de 440 pF (typique), favorisent les performances d'impulsions haute vitesse avec des transitions rapides.

Figure 4 : Le transistor de puissance GaN EPC2252 fournit la commutation de courant nécessaire aux diodes laser à fort courant dans un boîtier mesurant 1,5 mm × 1,5 mm. (Source de l'image : EPC)

Diode laser

Il s'agit du composant final dans le chemin optique, fonctionnant comme un transducteur électro-optique. Contrairement aux caméras, qui sont des dispositifs passifs, les diodes laser sont des sources actives et émettent un rayonnement optique, considéré comme nocif pour les yeux humains dans certaines conditions. L'intensité maximale autorisée est définie par des normes comme EN 60825-1:2014, « Sécurité des appareils à laser ».

L'indice de sécurité d'un système LiDAR dépend de sa puissance, de son angle de divergence, de la durée d'impulsion, de la direction d'exposition et de la longueur d'onde. La plupart des systèmes utilisent une longueur d'onde de 905 nm ou de 1550 nm, chacune offrant un rendement acceptable et une compatibilité de longueur d'onde entre le laser et une photodiode appropriée. En général, un laser de 1550 nm peut émettre en toute sécurité plus de puissance qu'un laser de 905 nm avant d'être considéré comme dangereux. Cependant, les lasers de 905 nm sont populaires car ils sont plus rentables.

Pour une longueur d'onde de 905 nm, la diode laser à impulsions RLD90QZW3-00A de ROHM est optimisée pour les applications LiDAR. Elle prend en charge une sortie de 75 W à un courant direct (I_F) de 23 A et offre des performances supérieures sur trois paramètres : largeur du faisceau (divergence), étroitesse de la longueur d'onde du faisceau et stabilité du faisceau.

La divergence du faisceau définit l'étalement du faisceau dû à la diffraction. Le RLD90QZW3-00A spécifie des valeurs typiques de 25° dans le plan perpendiculaire (θ_⊥) et de 12° dans le plan parallèle (θ_//) (Figure 5). La stabilité de température de sortie du laser est de 0,15 nm/°C.

Figure 5 : La diode laser à impulsions RLD90QZW3-00A présente des valeurs de divergence de faisceau typiques de 25° dans le plan perpendiculaire (à gauche) et de 12° dans son plan parallèle (à droite). (Source de l'image : ROHM)

La faible largeur d'émission lumineuse et la stabilité de la longueur d'onde de sortie de cette diode laser sont également essentielles pour améliorer les performances des systèmes, car elles permettent l'utilisation de filtres passe-bande optiques à longueur d'onde étroite. ROHM indique que la plage de 225 μm de cette diode est 22 % plus petite que celle des dispositifs concurrents, prenant ainsi en charge une résolution plus élevée et une plage de détection plus large avec une netteté de faisceau supérieure, une émissivité étroite et une densité optique élevée.

Ces deux facteurs améliorent le rapport signal/bruit optique, permettant une détection et une évaluation précises des objets à une distance étendue. Une image comparative des nuages de points montre l'impact positif de ces spécifications strictes et stables sur la résolution (Figure 6).

Figure 6 : La stabilité et la cohérence de la sortie de la diode laser à impulsions RLD90QZW3-00A permettent d'améliorer le rapport signal/bruit et la résolution du nuage de points. (Source de l'image : ROHM)

Conclusion

Le LiDAR est largement utilisé pour capturer des perspectives 3D de l'environnement et cartographier les terrains. Le cœur d'un système LiDAR est constitué de composants électroniques et électro-optiques qui intègrent les capacités complexes requises pour un système viable. Pour les fonctions de source optique, le circuit d'attaque de grille, le FET de commutateur de grille et la diode laser doivent être compatibles en termes de tension, de courant, de vitesse et de stabilité afin de garantir des performances optimales.

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