효과적인 LiDAR 성능을 위한 구동기, 스위치, 레이저 다이오드의 역할 이해

작성자: Bill Schweber

DigiKey 북미 편집자 제공

2025-02-06

광 감지 및 거리 측정(LiDAR) 시스템은 자동차, 무인 운반 차량(AGV) 또는 심지어 로봇 진공 청소기가 주변 환경을 '볼 수 있도록' 활성화하기 위한 기본적인 방법이 되었습니다ㅁ 드론 및 고도 비행 항공기도 LiDAR를 사용하여 더 먼 거리에 있는 지형을 탐색하고 매핑합니다.

LiDAR에 대해 많은 연구가 수행되어 왔지만 설계자는 광 펄스를 생성하는 데 필요한 게이트 구동기, 게이트 스위치 FET, 레이저 다이오드 같은 주요 부품을 선택할 때 세심한 주의를 기울여야 합니다.

이 기사에서는 LiDAR에 대한 개요를 설명합니다. 그런 다음 중요 전자 광학 부품의 예를 소개하고 필수 펄스를 생성하기 위해 이러한 부품이 함께 작동하는 방식을 설명합니다.

LiDAR 작동 방식

LiDAR는 짧은 중간 전력 광학 펄스를 연속적으로 전송한 후 이에 대한 반사를 포착하는 방식으로 작동합니다. LiDAR는 비행 시간(ToF)을 측정하여 주변 환경에 대해 3차원(3D) 원근을 나타내는 포인트 클라우드를 생성합니다(그림 1). 많은 시스템에서 더 넓은 범위를 커버하기 위해 매트릭스에서 다중 레이저 다이오드를 사용합니다.

포인트 클라우드를 생성하는 LiDAR 접근 방식 이미지 그림 1: LiDAR 접근 방식은 주변 환경에 대한 3D 렌더링을 제공하는 클라우드 포인트를 생성합니다(이미지 출처: Blickfeld GmbH).

응용 제품에 따라 LiDAR 시스템의 성능이 결정됩니다. 천천히 이동하고, 영역이 제약적인 로봇 진공 청소기 또는 AGV에 사용되는 시스템은 더 빠른 속도로 움직이고 차량, 사이클리스트 또는 보행자에 대응해야 하는 자동차에 사용되는 시스템보다 훨씬 느슨한 범위와 각도 분해능 요구 사항을 가집니다. 자동차 응용 분야에 대한 최고 수준의 성능 목표로 자주 인용되는 수치는 100m ~ 200m의 효과적인 범위와 0.1°의 각도 분해능입니다.

2축 전자 기계 검류계는 이미지 영역에 걸쳐 레이저 플래시를 스캔하여 정밀한 포인트 클라우드를 달성합니다. LiDAR 시스템은 각각의 방출 펄스 및 이와 연결된 반환 펄스에 대해 ToF를 측정하므로, 차량이 주변 환경을 정확하게 탐색하는 데 필요한 깊이 원근으로 3D 이미지를 생성할 수 있습니다.

LiDAR 핵심의 전자 광학 경로

AGV에 사용된 시스템과 같은 완전한 LiDAR 시스템은 상호 연결된 다양한 광학, 아날로그, 프로세서, 기계 블록 세트가 필요합니다. 시스템의 핵심은 레이저 기반의 광학 소스와 병합 설치된 광학 수신기로 구성된 전자 광학 경로입니다(그림 2).

그림 2: 전자 광학 신호 경로 및 이와 관련된 부품은 LiDAR 시스템의 핵심입니다(오른쪽, 중간 열)(이미지 출처: ROHM).

연속적인 광학 펄스를 생성하는 소스의 신호 경로는 원하는 광학 펄스 반복 속도와 너비를 결정하는 전용 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)에 의해 제어됩니다. 소스 경로에는 다음과 같은 세 가지 주요 기능 소자가 있습니다.

게이트 구동기 - 빠른 상승 및 하강 시간을 가진 고속 펄스를 제공하여 게이트 스위치를 켜고 끕니다.
게이트 스위치 FET - 레이저 다이오드의 전류 흐름을 제어하기 위해 명확하게 켜지고 꺼집니다.
레이저 다이오드 - 원하는 파장에서 독립적이고 중첩되지 않은 광학 펄스를 생성합니다.

이러한 부품을 선택하고 통합하려면 전기 문제는 물론 시야, 레이저 다이오드 전력 및 파장 각도 감도, 광학 신호대 잡음비(SNR)와 같은 광학 특성을 이해해야 합니다. 고급 소프트웨어 알고리즘은 전자 광학 신호 경로의 일부 제한 사항과 감지된 환경의 문제를 극복할 수 있습니다. 그러나, 신중한 엔지니어라면 이러한 알고리즘이 결점을 보완할 수 있다고 가정하기 보다는 LiDAR용으로 최적화된 부품을 선택할 것입니다.

이러한 기능 각각에 대한 대표 부품을 살펴보면 LiDAR 최적화 장치가 여러 문제를 해결하는 방법을 알 수 있습니다.

게이트 구동기

ROHM Semiconductor의 BD2311NVX-LBE2(그림 3)는 AGV 같은 산업 응용 분야에 제격인 단일 채널, 초고속 GaN 게이트 구동기입니다. 이 장치는 구동 전류 및 전압의 필수 조합을 제공합니다. 또한 2.0mm × 2.0mm × 0.6mm 크기의 6핀 패키지로 제공되며 4.5V ~ 5.5V의 공급 전압 범위에서 최대 5.4A의 출력 전류를 소싱할 수 있습니다.

ROHM BD2311NVX-LBE2 단일 채널 게이트 구동기 이미지 그림 3: BD2311NVX-LBE2 단일 채널 게이트 구동기는 LiDAR 게이트 스위치를 정밀하게 제어하는 데 필요한 구동 전류 및 전압의 조합을 제공합니다(이미지 출처: ROHM).

BD2311NVX-LBE2는 좁은 출력 펄스로 GaN 높은 전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 및 다른 스위칭 장치를 구동하므로 LiDAR의 긴 범위와 높은 정확도에 기여할 수 있습니다. 이러한 펄스 관련 파라미터에는 220pF(피코패럿) 부하를 기준으로 1.25(ns(나노초)의 최소 입력 펄스 폭, 0.65ns의 통상 상승 시간, 0.70ns의 통상 하강 시간이 포함됩니다. 켜기 및 끄기 지연 시간은 각각 3.4ns 및 3.0ns입니다.

게이트 스위치 FET

게이트 구동기의 출력은 전류 제어 스위치 장치의 제어 입력에 연결됩니다. 이 장치는 게이트 구동기의 지시에 따라 on 상태와 off 상태 사이를 신속하게 전환하고, 일반적으로 50A ~ 100A의 상대적으로 큰 전류 값을 처리해야 합니다.

필요한 성능 수준은 자동차 인증(AEC-Q101) N 채널, 인핸스먼트 모드 GaN 전력 트랜지스터인 EPC의 EPC2252 같은 장치를 사용하여 제공할 수 있습니다. 이 장치는 매우 낮은 온스테이트 저항(R_DS(ON))에 대해 특히 높은 전자 이동도와 낮은 온도 계수를 제공하고, 측면 장치 구조 및 다수 캐리어 다이오드는 매우 낮은 총 게이트 전하(Q_G)와 제로 소스-드레인 회복 전하(Q_RR)를 제공합니다. 따라서, 매우 높은 스위칭 주파수와 낮은 온타임이 유리한 작업 및 온스테이트 손실이 우세한 작업을 처리할 수 있는 장치입니다.

EPC2252의 80V 드레인-소스 전압(V_DS), 11mΩ(밀리옴)(최대) R_DS(ON), 8.2A의 연속 드레인 전류(I_D)는 사양 중 일부에 불과합니다. 사용이 쉽고 5V에 불과한 온스테이트 게이트 구동 전압만 필요로 하며(오프스테이트의 경우 0V) 네거티브 전압이 필요하지 않습니다. 이 장치는 구동기와 공급 레일 고려 사항을 모두 간소화합니다.

게이트 스위치는 해당 설계와 다이 배열 덕분에 75A의 I_D(10µs(마이크로초)의 T_PULSE)를 처리할 수 있으며 9개의 접점 납땜 범프를 가진 1.5mm × 1.5mm 크기의 부동태화 다이로 패키징되어 있습니다(그림 4). 통상 440pF의 입력 정전 용량(C_ISS) 같은 패키지 앤 다이 기생의 감소를 통해 빠른 전환으로 고속 펄스 성능을 지원합니다.

EPC EPC2252 GaN 전력 트랜지스터 이미지 그림 4: EPC2252 GaN 전력 트랜지스터는 1.5mm × 1.5mm 크기 패키지의 고전류 레이저 다이오드에 필요한 전류 스위칭을 제공합니다(이미지 출처: EPC).

레이저 다이오드

레이저 다이오드는 광학 경로의 마지막 부품이며 전자 광학 트랜스듀서로 작동합니다. 수동 장치인 카메라와 달리 레이저 다이오드는 활성 소스이며 일부 조건에서 인간의 눈에 유해할 수 있다고 간주되는 광학 방사선을 방출합니다. 허용되는 최대 강도는 EN 60825-1:2014 '레이저 제품 안전'과 같은 표준에 의해 정의되어 있습니다.

LiDAR 시스템의 안전 정격은 해당 전력, 발산각, 펄스 지속 시간, 파장에 따라 달라집니다. 대부분의 시스템은 905nm(나노미터) 또는 1550nm 파장을 사용하며, 각각 레이저와 적절한 광 다이오드 사이에 허용 가능한 효율 및 파장 호환성을 제공합니다. 일반적으로 1550nm 레이저는 불안전하다고 간주되기 전에 905nm 레이저 이상의 출력을 안전하게 방출할 수 있습니다. 그러나, 905nm 레이저는 비용 효율성이 더 우수하여 널리 사용되고 있습니다.

905nm 파장의 경우 ROHM RLD90QZW3-00A는 LiDAR 응용에 최적화된 펄스형 레이저 다이오드입니다. 이 다이오드는 23A의 순방향 전류(I_F)에서 75W 출력을 지원하며 빔 너비(발산), 빔 파장 협착, 빔 안정성의 세 개 파라미터에서 뛰어난 성능을 제공합니다.

빔 발산은 회절로 인한 빔의 확산을 정의합니다. RLD90QZW3-00A는 수직 평면(θ_⊥)에서 통상 25° 값과 평행 평면(θ_//)에서 통상 12° 값을 지정합니다(그림 5). 레이저 출력 온도 안정성은 섭씨당 0.15nm(nm/°C)입니다.

ROHM RLD90QZW3-00A 펄스형 레이저 다이오드 빔 발산 값 그래프 그림 5: RLD90QZW3-00A 펄스형 레이저 다이오드는 수직 평면에서 통상 25°(왼쪽), 평행 평면에서 통상 12°(오른쪽)의 빔 확산 값을 가집니다(이미지 출처: ROHM).

이 레이저 다이오드의 출력 파장의 좁은 발광 너비와 안정성은 좁은 파장의 광학 대역통과 필터 사용이 가능하므로 시스템 성능 개선에도 중요합니다. ROHM은 이 다이오드의 225μm(마이크로미터) 범위가 경쟁사 장치보다 22% 작기 때문에 높은 빔 선명도, 좁은 방사율, 높은 광학 밀도로 더 높은 분해능과 더 넓은 감지 범위를 지원한다고 설명합니다.

이러한 두 요인은 광학 SNR을 개선하여, 먼 거리에 있는 객체를 정확하게 감지하고 평가할 수 있습니다. 비교 포인트 클라우드 이미지는 이러한 엄격하고 안정적인 사양이 분해능에 미치는 긍정적인 영향을 보여줍니다(그림 6).

그림 6: ROHM RLD90QZW3-00A 펄스형 레이저 다이오드 출력의 안정성 및 일관성은 향상된 SNR 및 포인트 클라우드 분해능을 제공합니다(이미지 출처: ROHM).

결론

LiDAR는 주변 환경에 대한 3D 원근을 캡처하고 지형을 매핑하는 데 널리 사용되고 있습니다. LiDAR 시스템의 핵심에는 실용적 시스템에 필요한 복잡한 기능을 통합하는 전자 및 전자 광학 부품이 있습니다. 광 소스 기능의 경우 게이트 구동기, 게이트-스위치 FET, 레이저 다이오드는 전압, 전류, 속도, 안정성이 서로 호환되어 최적의 성능을 보장해야 합니다.