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Lidar-Laser-Treiber auf Basis von Galliumnitrid

| Autor / Redakteur: Alex Lidow * / Gerd Kucera

GaN-Transistoren als Lidar-Laser-Treiber schalten hohe Stromimpulse bis 500 A in wenigen ns. In Systemen mit geringerem Strombedarf und kürzerer Reichweite sorgen sie für sehr schmale Impulse kleiner 1 ns.

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Bild 1: Grundsätzliche Funktionsweise eines Lidar-Systems.
Bild 1: Grundsätzliche Funktionsweise eines Lidar-Systems.
(Bild: EPC)

Der Artikel beschreibt, wie eGaN-FETs neue Lidar-Systeme ermöglichen, die weiter reichen, eine höhere Auflösung bieten und geringere Entwicklungskosten verursachen. Mit Einführung der fünften Bauteilgeneration gelang EPC (Effizient Power Conversion) der Quantensprung in eine neue Leistungsdimension. Denn gegenüber der vierten Bauteilgeneration wurde die Größe der eGaN-FETs halbiert und deren Leistung verdreifacht. Das macht den Weg frei für neue Anwendungen, etwa Lidar-Systeme.

Zuvor etwas Grundlegendes zum Lidar-System: Der Begriff Lidar steht für Light Detection and Ranging und beschreibt eine Art Radartechnik, bei der die elektromagnetische Strahlung im optischen Frequenzband liegt. Zur Distanzmessung bei diesem Laser Scanning hat sich das Laufzeitverfahren (ToF; Time-of-Flight) durchgesetzt. Mit dem Laser als optische Quelle lässt sich die Entfernung selbst kleiner Objekte auf großen Distanzen bestimmen. In Kombination mit einer lenkbaren Optik ist es zudem möglich, diese Distanzmessung zu überlagern und Objekte dreidimensional abzubilden (Bild 1).

Die Anforderungen an den Laser und seine Leistung

Für Lidar-Anwendungen wie autonomes und unterstütztes Fahren sind für die erforderliche Entfernungsauflösung kurze Laser-Impulse erforderlich. Um eine ausreichende Reichweite zu erzielen, muss die optische Spitzenleistung hoch sein. Das heißt der Spitzenwert des Laserdiodenstroms beträgt 10 bis 100 A. Bis vor kurzem waren zur Erzeugung dieser Stromstärken komplexe Schaltungen und teure Halbleiter erforderlich. An dieser Stelle kommen zur Schaltungsentwicklung nun Leistungstransistoren auf Galliumnitrid-Basis (GaN) ins Spiel.

ToF-Lidar nutzt NIR-Halbleiter-Laserdioden (NIR; Nah-Infrarot-Bereich) auf Basis entweder seitlich emittierende Epitaxielaser oder oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL). Die Laserdiode verhält sich elektrisch gesehen wie ein Gleichrichter. Ist sie über einen bestimmten Schwellenstrom in Durchlassrichtung vorgespannt, gibt sie Laserstrahlung mit einer optischen Ausgangsleistung ab, die proportional zum Durchlassstrom ist. Wird sie also mit einem Stromimpuls angesteuert, ergibt sich ein Laserlichtimpuls mit zwei wesentlichen Parametern: Impulsbreite und Energie. Diese beiden Faktoren haben großen Einfluss auf die Entfernungsauflösung bzw. die Reichweite.

Die Impulsbreite des übertragenen optischen Signals hat also großen Einfluss auf die Entfernungsauflösung eines Lidar-Systems. Bild 2 verdeutlicht den Grund, warum das so ist. Die obere Grafik zeigt schmale Lichtimpulse, die vom Lidar ausgestrahlt werden. Der Lichtimpuls muss zu einem Ziel gelangen, das sich in der Entfernung d befindet und von dort reflektiert wird. Die Zeit td zwischen dem Senden und Empfangen des Impulses beträgt: td = 2d/c, wobei c die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist (30 cm/ns). Durch Messung der Zeit td lässt sich die Entfernung bestimmen. Die untere Grafik zeigt, dass die reflektierten Impulse sich zu überlappen beginnen, sobald sie mit längerer Dauer gesendet werden. Sind sie entsprechend breit, wird es schwieriger, Merkmale in der Umgebung zu unterscheiden.

Betrachten wir eine Stromimpulsbreite von 1 ns, die die Laserdiode ansteuert, was einer optischen Impulslänge von 30 cm entspricht. Wenn die Merkmale des Ziels eine Größe von 15 cm und darunter erreichen, beginnen sich die empfangenen Impulse zu überlappen und sind nur schwerer zu differenzieren. Verschiedene Techniken zur Signalverarbeitung können dann die Auflösung für eine bestimmte Impulsbreite verbessern – ein kürzerer Impuls sorgt aber für eine höhere Genauigkeit. In der Praxis sind Impulse in der Größenordnung von einigen ns oder kürzer für eine Auflösung im erforderlichen Maßstab wünschenswert.

Bild 2: 
Einfluss der Pulsbreite auf die Auflösung (oben: schmale Impulse lassen sich leicht unterscheiden; unten: breitere Impulse können sich überlappen und sind schwieriger zu erkennen; die Entfernungsauflösung nimmt ab).
Bild 2: 
Einfluss der Pulsbreite auf die Auflösung (oben: schmale Impulse lassen sich leicht unterscheiden; unten: breitere Impulse können sich überlappen und sind schwieriger zu erkennen; die Entfernungsauflösung nimmt ab).
(Bild: EPC)

Die Impulsenergie ist ein bestimmender Faktor für die Reichweite des Lidar-Systems. Da die Forderung nach einer höheren Auflösung zu schmaleren Impulsen führt, muss der Diodenstrom erhöht werden, um eine ausreichende Impulsenergie aufrechtzuerhalten. Typische Impulsstromwerte können von wenigen Ampere bis zu Hunderten von Ampere reichen. Viele Laserdioden sind mit Nennpulsströmen im Bereich von mehreren zehn Ampere ausgelegt. Es ist möglich, sie bei höheren Strömen mit kürzeren Impulsen zu betreiben und eine größere optische Leistungsfähigkeit zu erzielen. Die Anforderungen an Laserdioden für handelsübliche Lidar-Systeme sind also Impulsspitzenströme von einigen Ampere bis einigen hundert Ampere mit Pulsbreiten von 1 bis 10 ns.

Gepulste Laser-Treiber mit GaN-FETs

Ein Impuls-Laser-Treiber für ein Lidar-System verwendet einen halbleiterbasierten Schalter in Serie zum Laser sowie eine elektrische Energiequelle. Die Leistung wird durch die Streuinduktivität und die Geschwindigkeit des Halbleiter-Leistungsschalters begrenzt. In den letzten Jahren wurden kostengünstige GaN-Leistungs-FETs und -ICs auf dem Markt eingeführt, deren Induktivitäts- und Schaltleistungswerte (FOM; Figure of Merit) bis zu 10-mal besser sind als bei vergleichbaren Silizium-MOSFETs. Mit der Einführung von eGaN-FETs und ICs steht die gewünschte Leistungsfähigkeit mittels einfacher, kleiner Schaltkreise zu geringen Kosten bereit.

Bild 3: GaN unterstützt Lidar-Systeme mit kurzer und langer Reichweite.
Bild 3: GaN unterstützt Lidar-Systeme mit kurzer und langer Reichweite.
(Bild: EPC)

Die im Vergleich zur älteren Silizium-MOSFETs wesentlich verbesserte Leistungsfähigkeit der eGaN-FETs führt zu einem viel schnelleren Schalten bei einer bestimmten Spitzenstromfähigkeit. GaN unterstützt Lidar-Sensoren mit kurzer und langer Reichweite (Bild 3). Für die Systeme mit großer Erkennungsreichweite können GaN-Bauelemente in nur wenigen ns sehr hohe Stromimpulse von bis zu 500 A liefern. GaN eignet sich aber auch für Systeme mit kürzerer Reichweite, die einen geringeren Strombedarf haben, aber dennoch sehr schmale Impulse benötigen, deren Impulsdauer weniger als 1 ns betragen sollen. Die besonders hohe Leistungsfähigkeit von GaN und die äußerst geringe Induktivität des Chip-Scale-Gehäuses machen eGaN-FETs zu empfehlenswerten Schaltern für gepulste Laser-Treiber.

Bild 4: Vereinfachter Laser-Treiber mit wichtigen Wellenformen.
Bild 4: Vereinfachter Laser-Treiber mit wichtigen Wellenformen.
(Bild: EPC)

Der einfachste und gebräuchlichste Laser-Treiber ist der in Bild 4 dargestellte resonante kapazitive Entladungstreiber. Der FET Q1 entlädt C1 resonant über die Streuinduktivität L1 und den Laser DL. Um die Induktivität L1 zu überwinden und den gewünschten schnellen Stromanstieg zu erreichen, wird C1 auf eine relativ hohe Spannung (25 bis 150 V) aufgeladen. Der FET Q1 muss in der Lage sein, der Spannung standzuhalten, den Spitzenstrom zu leiten und sich in weniger als 1 ns einzuschalten. eGaN-FETs sind Halbleiterschalter, die diese Anforderungen erfüllen.

GaN-Lösungen für Lidar mit großer Reichweite

Die EPC9126 und EPC9126HC sind Hochstrom-Lasertreiber-Demoboards für Direct-ToF-(DToF-)Anwendungen mit großer Reichweite. Sie verringern die Induktivität auf ein Minimum, wobei die gleichen grundlegenden Prinzipien für ein optimales Layout verwendet werden, die für Leistungswandlungsanwendungen von EPC (Efficient Power Conversion) empfohlen sind. Das EPC9126 ist mit dem Automotive-qualifizierten Enhancement-Mode-Power-Treibertransistor EPC2212 bestückt und kann Impulse bis zu 75 A mit Impulsbreiten von weniger als 2 ns in den Laser einspeisen. Sein Companion-IC für hohe Ströme, der EPC9126HC, kann Impulse von bis zu 150 A erzeugen, die kürzer als 3 ns sind.

Bild 5: 
Leistungsfähigkeit des Demoboards EPC9126HC.
Bild 5: 
Leistungsfähigkeit des Demoboards EPC9126HC.
(Bild: EPC)

Beide Treiber erfassen die wichtigsten Wellenformen und können mehrere Lasergehäuse aufnehmen. Für ein Höchstmaß an Leistungsfähigkeit lässt sich die Leiterplatte für einen bestimmten Laser optimieren, z.B. für den SMD-tauglichen OSRAM SPL S1L90A_3 A01 mit geringer Induktivität, und mit einem Hochleistungs-Gate-Treiber wie dem LMG1020 von Texas Instruments kombinieren. Das Bild 5 beschreibt das EPC9126HC-Demoboard und die gemessene Leistungsfähigkeit in einer Anwendung, die einen 135-A-Impuls mit 2,51 ns Impulsbreite erzeugt.

GaN-Lösungen für Lidar mit kurzer Reichweite

Das Laser-Treiber-Demoboard EPC9144 ist für Indirect-ToF-Anwendungen ausgelegt und steuert Laserdioden mit Impulsbreiten von nur 1,2 ns und Strömen bis 28 A an. Es enthält einen auf Masse bezogenen, Automotive-qualifizierten eGaN-FET mit der Bezeichnung EPC2216, der über den Gate-Treiber LMG1020 von Texas Instruments angesteuert wird. Die Leiterplatte ist so konzipiert, dass sich die Schleifeninduktivität minimiert, während die Flexibilität bei der Montage der Laserdiode oder anderer Lasten erhalten bleibt. Das System enthält mehrere passive Sensoren für Spannungen und ist mit MMCX-Anschlüssen für den Eingang und die Abtastung ausgestattet.

Bild 6: Das EPC9144-Demoboard und die gemessene Leistungsfähigkeit in einer Anwendung mit einem 8,3-A-Impuls und einer Impulsbreite von 1,2 ns.
Bild 6: Das EPC9144-Demoboard und die gemessene Leistungsfähigkeit in einer Anwendung mit einem 8,3-A-Impuls und einer Impulsbreite von 1,2 ns.
(Bild: EPC)

Darüber integriert das Board einen Pulsgenerator für schmale Impulse, der sich in Sub-Nanosekunden betreiben lässt; außerdem kann der Gate-Treiber durch Entfernen eines Widerstands einfach direkt gespeist werden. Im Auslieferungszustand ist das Board für den Betrieb mit 3,3-V-Logik ausgelegt, verfügt jedoch auch über einen Logikpegel-Umsetzer und einen Differential-Empfänger, um unterschiedliche Anwendungsfälle, etwa 1,8-V-Logik oder LVDS (Low-Voltage Differential Signalling) abzudecken. Bild 6 zeigt das EPC9144-Demoboard und die gemessene Leistungsfähigkeit in einer Anwendung mit einem 8,3-A-Impuls mit einer Impulsbreite von 1,2 ns.

Für Lidar-Anwendungen in Fahrzeugen entwickelte EPC den AEC-Q101-qualifizierten Baustein EPC2202 mit einer Nennspannung von 80 V und einer Impulsstrombelastbarkeit von 75 A, den EPC2212 mit 100 V und 75 A, den EPC2203 mit 80 V und 17 A sowie den EPC2216 mit 15 V und 28 A. Weitere Transistoren und ICs, die Lidar unterstützen, werden derzeit für die Automotive-Zulassung zertifiziert.

Fazit: Wie dargestellt sorgen GaN-Leistungshalbleiter in Laser-Treibern für eine hohe Performance und können geeignete Hochstromimpulse in ns erzeugen. GaN erweitert dadurch die Anzahl der Lidar-Anwendungen, bei denen es auf eine verbesserte Genauigkeit ankommt. Zu diesen Anwendungen zählen selbstfahrende Autos und die industrielle Lagerautomatisierung.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Leistungselektronik und Stromversorgungen I der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

* Alex Lidow CEO und Mitbegründer von EPC.

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