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자율 주행 차량의 LiDAR용 GaN FET

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글/켄톤 윌리스톤(Kenton Williston), 프리랜서

광감지 및 거리측정기(LiDAR) 응용 분야에는 자율 주행 차량, 드론, 창고 자동화, 정밀 농업이 포함된다. 이러한 응용 분야에서 대부분 사람이 참여하므로 LiDAR 레이저로 인해 눈에 손상을 입을 수 있다는 우려가 있다. 부상을 방지하기 위해 자동차용 LiDAR 시스템은 최대 200W의 전력을 송신하는 동시에 IEC 60825-1 클래스 1 안전 요구 사항을 충족해야 한다.

일반 솔루션에서는 1MHz ~ 2MHz 반복률로 1ns ~ 2ns 펄스를 사용한다. 레이저 다이오드를 제어하기 위해 마이크로 컨트롤러나 기타 대형 디지털 집적 회로(IC)가 필요하지만 직접 구동할 수 없으므로 게이트 구동기 회로를 추가해야 하는 어려움이 있다. 또한 LiDAR 시스템의 성능이 국제자동차기술자협회(SAE) 레벨 3 이상의 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)에 적합하도록 이 게이트 구동기 설계를 최적화해야 한다.

이산 소자 부품을 사용하여 IEC 60825-1의 안전 요구 사항을 충족하는 고전력 고성능 게이트 구동기를 설계하는 것은 복잡하고 시간이 많이 소요되어 비용이 증가하고 시장 출시가 지연될 수 있다. 이러한 과제를 해결하기 위해 설계자는 질화 갈륨(GaN) 전력 전계 효과 트랜지스터(FET)와 결합된 통합 고속 게이트 구동기 IC로 전환할 수 있다. 통합 솔루션을 사용하면 특히 고전류 레이저 전력 루프에서 구동 신호의 무결성을 훼손하는 기생 효과를 최대한 억제하며, 고전류 구동기를 전력 스위치에 가깝게 배치하여 고주파 스위칭 잡음 효과를 최소화할 수 있다.

본 기사에서는 LiDAR에 대해 간략히 소개하고, 응용 분야와 안전 요구 사항을 설명한 다음 고전류 레이저 전력 루프를 중심으로 자동차용 LiDAR 설계에 있어서의 애로점을 살펴본다. 그런 다음 개발 공정을 가속화하기 위한 평가 기판 및 구현 지침과 함께 GaN 전력 FET, 게이트 구동기, 레이저 다이오드 등 EPC(Efficient Power Conversion), Excelitas Technologies, ams OSRAM 및 Texas Instruments의 LiDAR 솔루션에 대해 설명한다.

LiDAR 작동 방식

LiDAR 시스템은 레이저 빔 펄스의 왕복 시간차(ToF)(Δt)를 측정하여 물체와의 거리를 계산한다(그림 1). d = c * Δt/2 수식을 사용하여 거리(d)를 계산할 수 있다. 여기서 c는 공기 중 빛의 속도이다. 짧은 펄스 폭은 LiDAR의 핵심 요소 중 하나이다. 빛의 속도가 약 30cm/ns인 것을 고려할 때 1ns LiDAR의 펄스 폭은 약 30cm이다. 따라서 최소 형상 분해능의 하한값은 약 15cm이다. 따라서 인간 규모 환경에서 유용한 분해능을 가지려면 LiDAR 펄스를 수 나노초로 제한해야 한다.

펄스 폭, 피크 전력, 반복 주파수 및 듀티 사이클은 기본 LiDAR 사양이다. 예를 들어 LiDAR 시스템에서는 일반적으로 펄스 폭은 100ns 이하이고, 피크 전력은 100W를 초과하고, 반복 주파수는 1kHz이며, 듀티 사이클은 0.2%인 레이저 다이오드가 사용될 수 있다. 피크 전력이 높을수록 LiDAR의 감지 범위는 더 길어지지만 열 방출이 발생한다. 펄스 폭이 100ns인 경우 평균 듀티 사이클은 일반적으로 레이저 과열을 방지하기 위해 0.1% ~ 0.2%로 제한된다. 또한 펄스 폭이 짧을수록 LiDAR 안전성이 향상된다.

IEC 60825-1은 눈 손상을 유발할 가능성이 무시할 만한 수준인 광원의 최고 에너지 밀도 또는 전력을 나타내는 최대 허용 노광량(MPE)의 측면에서 레이저 안전을 정의한다. 무시할 만한 수준의 MPE 전력 레벨은 에너지 밀도의 약 10%(눈 손상을 유발할 가능성 50%)로 제한된다. 전력 레벨이 일정한 상태에서 펄스 폭이 짧을수록 평균 에너지 밀도가 더 작고 더 안전한다.

물체와의 거리는 한 번의 LiDAR ToF 측정으로 결정할 수 있지만, 3차원(3D) 포인트 클라우드를 만들려면 LiDAR ToF를 수천 또는 수백만 번 측정해야 할 수 있다(그림 2). 포인트 클라우드는 구성 요소라는 많은 양의 정보를 저장하는 데이터 포인트의 모음이다. 각 구성 요소에는 특성을 설명하는 값이 포함되어 있다. 구성 요소는 x 좌표, y 좌표, z 좌표와 밀도, 색상 및 시간 관련 정보(물체 이동 측정에 사용됨)를 포함할 수 있다. LiDAR 포인트 클라우드는 대상 영역의 실시간 3D 모델을 만든다.

[그림 2] LiDAR 시스템은 여러 차례의 ToF 측정을 결합하여 대상 영역의 3D 포인트 클라우드 및 이미지를 만든다. (이미지 출처: EPC)

GaN FET를 사용하여 LiDAR 레이저 구동

GaN FET는 실리콘 FET보다 훨씬 빠른 스위칭이 가능하므로 매우 좁은 펄스 폭을 필요로 하는 LiDAR 응용 분야에 적합하다. 예를 들어 EPC의 EPC2252는 최대 75A의 전류 펄스가 가능한 AEC-Q101 자동차용 인증 80V GaN FET이다(그림 3). EPC2252의 경우 최대 온스테이트 저항(RDS(on))이 11mΩ이고, 최대 총 게이트 전하(Qg)가 4.3nC이고, 소스-드레인 회복 전하(QRR)가 0이다.

IC는 다이 크기 볼 그리드 어레이(DSBGA)로 제공된다. 즉, 부동태화된 다이가 다른 포장 없이 납땜 볼에 직접 연결된다. 따라서 DSBGA 칩의 크기가 실리콘 다이와 동일하여 폼 팩터를 최소화한다. 이 경우 EPC2252는 1.5mm x 1.5mm 크기의 9-DSBGA 구현을 사용한다. 접합부에서 기판까지 열 저항이 8.3℃/W이며 고밀도 시스템에 적합하다.

설계자는 총 펄스 폭이 2ns ~ 3ns인 LiDAR 시스템에서 EPC2252를 채택하여 빠른 시작을 위해 EPC의 EPC9179 개발 기판을 사용할 수 있다(그림 4). EPC9179에는 외부 신호 또는 기판 실장형 좁은 펄스 생성기(나노초 미만 정밀도)를 통해 제어 가능한 Texas Instruments의 LMG1020 게이트 구동기가 포함되어 있다.

개발 기판은 분리형 5mm x 5mm 인터포저로 구성된 EPC9989 인터포저 기판과 함께 제공된다(그림 5). 이는 대다수 일반적인 표면 실장 레이저 다이오드(예: SMD 및 MMCX)의 실장 면적 및 RF 커넥터와 다양한 기타 부하를 수용하도록 설계된 패턴에 해당한다.

905nm에서 방출되는 Excelitas Technologies의 TPGAD1S09H 펄스 레이저(그림 6)는 EPC9989 인터포저 기판과 함께 사용될 수 있다. 이 레이저 다이오드는 리드리스 래미네이트 캐리어에 실장된 다층 모놀리식 칩을 사용하여 파장 온도 계수(Δλ/ΔT)가 0.25nm/℃인 우수한 열 성능을 제공한다. 이 양자 우물 레이저는 적절한 구동기를 통해 1ns 미만의 상승 및 하강 시간을 지원한다. TPGAD1S09H는 표면 실장 응용 분야 및 하이브리드 통합에 사용 가능하며 실장 면에 수평 또는 수직으로 빛을 방출할 수 있고, 에폭시 수지 피막 형성을 통해 저비용 대용량 제조를 지원한다.

ams OSRAM의 SPL S1L90A_3 A01(그림 7)은 EPC-9989 인터포저 기판과 함께 사용될 수 있는 레이저 다이오드의 다른 예이다. 이 단일 채널 908nm 레이저 모듈은 피크 출력 전력이 120W인 1ns ~ 100ns 범위의 펄스를 제공할 수 있다. 이 모듈은 -40℃ ~ +105℃의 작동 온도 범위와 0.2% 듀티 사이클을 지원하며 2.0mm x 2.3mm x 0.69mm 크기의 콤팩트 QFN 패키지로 제공된다.

매우 좁은 펄스 폭을 필요로 하는 LiDAR 시스템의 경우 설계자는 IEC 60825-1 클래스 1 안전 요구 사항을 충족하는 강력한 LiDAR 시스템을 지원하는 1.25ns 출력 펄스 폭 기능을 갖춘 단일 채널 로우사이드 게이트 구동기인 Texas Instruments의 LMG1025-Q1로 전환할 수 있다. 좁은 펄스 폭, 빠른 스위칭 및 300ps 펄스 왜곡을 지원하여 장거리에서 정밀한 LiDAR ToF 측정이 가능하다.

2.9ns 전파 지연은 제어 루프 응답 시간을 개선하고, 2mm x 2mm QFN 패키지는 기생 유도 용량을 최소화하여 고주파 LiDAR 구동 회로에서 고전류 저링잉 스위칭을 지원한다. LMG1025-Q1EVM은 일반적인 레이저 다이오드의 특성을 나타내는 저항 부하를 수용하거나, 저항 부하로 구동 펄스를 조정한 후 레이저 다이오드를 실장할 수 있는 공간이 있는 LMG1025-Q1용 평가 모듈이다(그림 8).

[그림 8] LMG1025-Q1EVM 데모 기판은 일반적인 레이저 다이오드의 초기 설정을 위한 특성을 나타내는 저항 부하를 수용할 수 있다. (이미지 출처: Texas Instruments)

결론

설계자는 IEC 60825-1의 클래스 1 안전 요구 사항을 충족하는 동시에 센티미터 분해능으로 실시간 ToF 측정을 제공하는 자동차용 LiDAR 시스템을 개발하면서 점차 더 어려운 과제에 직면하고 있다. 위에서 살펴본 바와 같이 GaN FET는 다양한 레이저 다이오드와 함께 사용되어 고성능 자동차용 LiDAR에 필요한 나노초 펄스 폭과 높은 피크 전력 레벨을 생성할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
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