ЛИДАР ( Light detection and ranging (LiDAR)) - включают автономные транспортные средства, беспилотные летательные аппараты, автоматизацию складов и точное земледелие. В большинстве присутствуют люди, что вызывает опасения по поводу того, что лазер LiDAR может вызвать повреждение глаз. Для предотвращения травм автомобильные системы LiDAR должны соответствовать требованиям безопасности IEC 60825-1 класса 1 при передаче на мощности до 200 Вт.

В общем решении используется импульс длительностью от 1 до 2 наносекунд (нс) с частотой повторения от 1 до 2 мегагерц (МГц). Это сложная задача, поскольку микроконтроллер или другая большая цифровая интегральная схема (ИС) необходима для управления лазерным диодом, но не может напрямую управлять им, поэтому необходимо добавить схему драйвера затвора.

Кроме того, конструкция драйвера должна быть оптимизирована, чтобы гарантировать, что производительность системы LiDAR подходит для систем Society of Automotive Engineers (SAE) уровня 3 и advanced driver assistance systems (ADAS).

Как работает LiDAR

Системы LiDAR измеряют время полета туда и обратно импульса лазерного луча для вычисления расстояния до объекта. Расстояние (d) можно вычислить по формуле d = c * Δt/2, где c – скорость света в воздухе. Короткая длительность импульсов является одним из ключевых моментов в работе LiDAR. Учитывая, что скорость света составляет примерно 30 сантиметров на нс (см/нс), импульс LiDAR длительностью 1 нс имеет длину около 30 см. При этом нижний предел минимального размера объекта, который может быть разрешен, составляет около 15 см.

Длительность импульса, пиковая мощность, частота повторения и коэффициент заполнения являются основными характеристиками LiDAR. Например, типичный лазерный диод, используемый в системе LiDAR, может иметь длительность импульса 100 нс или меньше, пиковую мощность >100 Вт, частоту повторения 1 килогерц (кГц) или выше и коэффициент заполнения 0,2%. Чем выше пиковая мощность, тем больше дальность обнаружения LiDAR, но рассеивание тепла является компромиссом. При длительности импульса 100 нс средний коэффициент заполнения обычно ограничивается 0,1–0,2% для предотвращения перегрева лазера. Меньшая ширина импульса также способствует безопасности LiDAR.

Стандарт IEC 60825-1 определяет лазерную безопасность с точки зрения максимально допустимого воздействия (MPE), которое представляет собой самую высокую плотность энергии или мощность источника света с незначительным потенциалом повреждения глаз. Если пренебречь, то уровень мощности MPE ограничен примерно 10% от плотности энергии, что с вероятностью 50% может привести к повреждению глаз. При постоянном уровне мощности импульсы с меньшей шириной импульса имеют меньшую среднюю плотность энергии и являются более безопасными.

В то время как одно измерение LiDAR может определить расстояние до объекта, тысячи или миллионы измерений могут быть использованы для создания трехмерного (3-D) облака точек. Облако точек представляет собой коллекцию точек данных, в которых хранятся большие объемы информации, называемые компонентами. Каждый компонент содержит значение, описывающее атрибут. Компоненты могут включать координаты x, y и z, а также информацию об интенсивности, цвете и времени (для измерения движения объекта). Облака точек LiDAR создают 3D-модель целевой области в режиме реального времени.

Использование полевых транзисторов GaN для питания лазеров LiDAR

Полевые транзисторы GaN переключаются намного быстрее, чем их кремниевые аналоги, что делает их пригодными для применения в системах LiDAR, требующих очень узкой длительности импульса. Например, EPC2252 от EPC представляет собой сертифицированный AEC-Q101 80-вольтовый полевой транзистор на основе GaN, сертифицированный для автомобильной промышленности, способный выдавать импульсы тока до 75 ампер (А). EPC2252 имеет максимальное сопротивление (RDS) 11 мОм, максимальный суммарный заряд затвора (Qg) 4,3 нанокулонов (нК) и нулевой заряд восстановления стока источника (QРР).