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라이다를 위한 eGaN FET - EPC9126 레이저 드라이버 최대한 활용하기 ①


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글/존 S. 글레이저(John S. Glaser), 애플리케이션 엔지니어링 디렉터; EPC


EPC는 라이다 시스템에 eGaN FET의 성능을 제공하고, 라이다의 기술 수준을 향상시키기 위해 EPC9126 및 EPC9126HC 레이저 드라이버를 개발했다. EPC9126 및 EPC9126HC는 회로도 및 BoM과 함께 구현 및 실행과 관련된 기본 정보를 포함하고 있는 퀵 스타트 가이드가 제공된다. 또한 드라이버의 레이아웃 파일은 무료로 사용할 수 있다. 이 애플리케이션 노트는 QSG를 보완하기 위한 것이며, 사 용자가 EPC9126 및 EPC9126HC를 배우고, 적용하는데 유용하게 활용될 수 있을 것이다.


라이다(Lidar)는 광대역에서 전자기파를 발생시키는 레이더의 한 형태이다. 지난 몇 년 동안 한 가지 형태의 특정 라이다인 TOF(Time-of-Flight) 거리 측정이 널리 사용되어 왔다. 레이저가 광학 소스로 사용되면, 먼 거리에 있는 작은 부분까지의 거리도 측정할 수 있으며, 조정 가능한 광학장치와 함께 사용하면, 해당 지점까지의 거리를 측정하고, 객체의 3차원 맵을 구현할 수 있다.
EPC는 라이다 시스템에 eGaN FET의 성능을 제공하고, 라이다의 기술 수준을 향상시키기 위해 EPC9126 및 EPC9126HC 레이저 드라이버를 개발했다. EPC9126 및 EPC9126HC는 회로도 및 BoM과 함께 구현 및 실행과 관련된 기본 정보를 포함하고 있는 퀵 스타트 가이드가 제공된다.
또한 드라이버의 레이아웃 파일은 무료로 사용할 수 있다. 이 레이저 드라이버의 기본 원리는 간단해 보이지만, 많은 엔지니어들이 설계에서 무시하는 기생 컴포넌트들이 고속, 고전압, 고전류 특성을 갖게 한다. 이 문서는 사용자가 드라이버를 최대한 활용할 수 있도록 레이저 드라이버 디자인에 대한 심도 깊은 정보를 제공하고, 일반적으로 제기되는 질문에 답을 제시하기 위해 작성되었다.

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[그림 1] 기본적인 라이다 시스템

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[그림 2] TOF 라이다에 사용되는 일부 일반적인 레이저 다이오드

레이저 및 펄스 요구사항

TOF 라이다는 일반적으로 근적외선(NIR) 반도체 레이저 다이오드와 측면 발광 에피택셜 레이저나 또는 VCSEL을 사용한다. 일부 일 반적인 레이저 다이오드는 그림 2에 나와 있다. 레이저 다이오드는 전기적으로 정류기 역할을 수행한다. 특정 임계 전류 이상으로 순방향 바이어스되면, 순방향 전류와 대략적으로 비례하는 출력 광 전력으로 레이저 방사선을 방출한다. 따라서 전류 펄스로 이를 구동하면, 레이저 광 펄스를 얻을 수 있다. 레이저 광 펄스는 펄스 폭과 에너지의 두 가지 주요 파라미터를 가지고 있으며, 이 두 가지 요소는 각각 거리 분해능과 범위에 큰 영향을 미친다.
전송된 광 신호의 펄스 폭은 라이다 시스템의 거리 분해능에 상당한 영향을 미친다. 그림 1은 이러한 케이스를 보여주고 있다. 상단의 케이스를 보면, 라이다에서 좁은 펄스의 광을 내보낸다. 이 광 펄스가 목표물로 이동하고, 반사되어 다시 돌아와야 하기 때문에 거리 d에서 목표물에 대한 펄스의 송신과 수신 간의 시간 td는 다음과 같다:
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여기서 c는 대기 중의 빛의 속도이며, 약 30cm/ns(약 1foot/ns)에 해당한다. 시간 td를 측정하여 거리를 계산할 수 있다. 이제 하단의 케이스에 나타낸 것처럼 더 긴 지속시간의 펄스를 전송한다고 가정해 보자. 펄스 길이가 너무 길어지면, 반사되는 펄스와 겹치기 시작하며, 환경에서 특성을 구별하는 것이 어려워진다.
실제로 어떤 길이의 펄스가 바람직한지에 대한 아이디어를 얻기 위해 레이저 다이오드를 구동하는 1ns의 전류 펄스 폭을 고려해 보도록 하자. 이는 30cm의 광 펄스 길이에 해당한다. 목표물의 특성과 15cm 거리에 이르게 되면, 수신되는 펄스와 겹치기 시작하고, 구별이 더 어려워진다. 다양한 신호처리 기법을 통해 주어진 펄스 폭에 대한 분해능을 향상시킬 수는 있지만, 기본적으로 더 짧은 펄스가 더 뛰어난 정밀도를 제공하고, 수 나노초 또는 그 이하의 펄스가 인간적 척도에 부합하는 분해능으로 바람직하다는 것은 분명한 사실이다.
펄스 에너지는 라이다의 범위를 결정한다. 보다 뛰어난 분해능에 대한 요구로 인해 펄스 폭을 더 좁게 설계하고 있기 때문에 충분한 펄스 에너지를 유지할 수 있도록 다이오드 전류가 증가해야 한다. 일반적인 펄스 전류는 수 암페어에서 수백 암페어에 이를 수 있다. 다수의 레이저 다이오드는 수십 암페어 범위의 공칭 펄스 전류를 가지고 있다. 예를 들어, 일반적인 데이터 시 트 테스트 조건, 즉 PRF = 1kHz, 펄스 폭 tw = 100ns, 피크 전류 IDLpk = 30A, 동작 온도 TOP = 23~25°C의 경우, 최대 전기 입력 전력은 삼중접합 에지 방출 레이저의 경우 300W에 이를 수 있다. 평균 테스트 듀티 사이클은 레이저 다이의 과열을 방지하기 위해 종종 ≤0.1%이다. 이는 레이저 다이오드를 더 높은 전류에서 더 짧은 펄스 폭으로 동작시키고, 더 뛰어난 피크 광 출력을 얻을 수 있다.
요약하면, 라이다 시스템에 적합한 상용 레이저 다이오드에 대한 일반적인 레이저 다이오드 요구사항은 1ns~10ns에 이르는 펄스 폭과 수 암페어에서 수백 암페어의 피크 펄스 전류를 필요로 한다. 다음 섹션에서는 이러한 극단적인 펄스를 얻는 방법을 살펴보겠다.

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[그림 3] 분해능에 대한 라이다 펄스 폭의 영향. 위: 좁은 펄스는 반사를 쉽게 구분할 수 있도록 해준다. 아래: 넓은 펄스는 겹칠 수 있으며, 이로 인해 구분이 어려워지고, 거리 분해능을 감소시킨다.

레이저 드라이버
라이다를 위한 일반적인 펄스 레이저 드라이버는 레이저와 직렬로 연결된 반도체 스위치와 전기 에너지 소스를 사용한다. 성능은 부유 인덕턴스 및 반도체 전력 스위치의 속도에 의해 제한된다. 지난 10년 동안에는 동급 실리콘 MOSFET에 비해 매우 낮은 인덕턴스와 최대 10배 더 뛰어난 스위칭 성능 지수(FOM)를 제공하는 GaN 전력 FET가 상용화되었다. 그림 4는 75A 펄스를 제공하는 100V eGaN FET인 EPC2016C FET를 보여주고 있다.

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[그림 4] EPC2016C 100V, 75A, 16mΩ eGaN FET의 크기는 2.1mm x 1.6mm이다. EPC2212는 동일한 풋프린트와 유사한 등급을 갖춘 자동차 인증 부품이다.

기존 실리콘 MOSFET 기술에 비해 성능이 크게 향상된 eGaN FET는 주어진 피크 전류 성능에 대해 훨씬 빠른 스위칭으로 전환이 가능하며, 아직은 동시에 이를 충족시킬 수는 없지만, 레이저 부하에서 >100A의 전류와 <2ns의 펄스 폭을 구현할 수 있다.
많은 종류의 레이저 드라이버 토폴로지가 있지만, 고전력에 적합한 두 가지 주요 토폴로지는 첨단 제어 공진형 레이저 드라이버와 전류 제한 듀얼 에지 제어 드라이버가 있다. 고속 애플리케이션의 경우 공진형 레이저 드라이버가 가장 일반적으로 사용되기 때문에 이러한 유형의 드라이버에 대해 주로 논의하도록 하겠다.

EPC9126 및 EPC9126HC 레이저 다이오드 드라이버

EPC9126 레이저 드라이버는 eGaN FET 및 레이저 다이오드의 성능을 테스트할 수 있는 다기능 플랫폼이다. EPC9126 및 EPC9126HC의 PCB는 동일하다. 두 드라이버는 몇 가지 다른 컴포넌트를 가지고 있기 때문에 상용 EPC9126이 더 낮은 피크 전류와 더 짧은 펄스를 갖는 반면, EPC9126HC는 이보다 높은 출력 전류와 더 긴 지속시간의 펄스를 갖게 된다. 주요 차이점은 표 1에 요약되어 있다. 이러한 차이점을 제외하고 보드는 동일하며, 별도로 지정하지 않는 한 이 애플리케이션의 모든 내용이 두 보드에 모두 적용된다.

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[표 1] EPC9126과 EPC9126HC의 차이점

따라서 두 드라이버를 통틀어 EPC9126xx로 총칭하도록 하겠다. 출하 시 두 드라이버는 모두 공진형 레이저 드라이버로 구성되어 있다. 이 드라이버의 기본 동작과 해당 설계 방정식은 다음 섹션에서 논의하도록 하겠다.

공진형 정전용량식 방전 레이저드라이버 설계
그림 5는 공진형 정전용량식 방전 레이저 드라이버의 간략한 회로도를 나타낸 것이며, 그림 6은 주요 파형을 보여주고 있다.

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그림 5. 정전용량식 방전 공진형 드라이버
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[그림 6] <그림 5>의 정전용량식 방전 공진형 드라이버의 주요 파형

Q1을 이상적인 스위치, 그리고 DL을 고정 순방향 전압 강하 VDLF를 갖는 이상적인 다이오드라고 가정하면, 이 드라이버는 다음과 같이 동작한다: Q1은 오프 상태에서 시작하므로, iDL = 0이다. 커패시터 전압 v1 = VIN이고, R1을 통해 충전된다. t = t0에서 Vcommand는 게이트 드라이브를 트리거하고, t = t1에서 Q1을 완전히 턴온하며, 레이저 DL과 인덕터 L1을 통해 C1을 방전한다. C1과 L1은 공진 네트워크를 형성하기 때문에 iDL 및 vC1은 정현파 링을 이룬다. 유효한 초기 커패시터 전압은 레이저 다이오드의 순방향 강하로 인해 VC1,0 = VIN - VDLF이다. t = t2에서 iDL은 제로로 돌아가고, vC1 = 2 VDLF - VIN 이 된다. 이 지점에서 DL은 전류가 역전되는 것을 방지하고, C1은 R1을 통해 재충전된다. 스위치 Q1은 t = t3에서 V1이 제로로 교차되기 전에 턴오프된다.
커패시터 충전 시간 상수 τchrg와 공진 주기 tres는 다음과 같다:
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일반적으로 τchrg ≫ tres이기 때문에 R1은 L1?C1 공진에 거의 영향을 미치지 않는다. 공진 특성 임피던스 R0 및 FWHM 펄스 폭 tw는 다음과 같다:
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이 레이저 드라이버 토폴로지는 다음과 같은 이점을 가지고 있다:
* 이 토폴로지는 부유 인덕턴스를 활용한다.
* 안정적인 펄스 형태
* 펄스 에너지는 VIN값을 통해 설정된다.
* 스위치는 간단한 드라이브를 위해 그라운드-레퍼런스된다.
* 게이트 턴-온 시에만 정밀 제어가 필요하다.(단일 에지 제어)
* 레이저 전류 펄스 폭은 게이트 드라이브의 최소 펄스 폭보다 짧을 수 있다.

부유 인덕턴스의 영향
다음 방정식을 사용하여 피크 레이저 다이오드 전류 IDLpk를 계산할 수 있다:
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인덕턴스는 설계에 큰 영향을 미친다. (3), (4), (5), (6)에서 VIN을 구할 수 있다:
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방정식 7은 레이저에서 9V 순방향 다이오드 강하가 발생하는 30A, 4ns 펄스를 위해 L1 대비 (7)에서 계산된 전압 VIN을 보여준다. 해당 레이저 및 펄스 형태에 대해 요구되는 VIN 은 L1 과 선형적으로 증가하는 것을 분명히 알 수 있다.

드라이버 스위치 속성
위의 분석은 이상적인 스위치를 가정하고 있지만, 실제 반도체 스위치는 스위칭 시간이 제로가 아니며, 포화 전류 한계를 가지고 있다. 또한 스위치와 해당 패키지는 상당한 인덕턴스를 가질 수 있기 때문에 해당 펄스 형태에 필요한 전압을 증가시킬 뿐만 아니라 스위치 턴온이 느려질 수 있다.
과거에는 스위치 기술로 실리콘 전력 MOSFET이 선택되었다. 하지만 라이다 시스템의 보다 높은 성능을 구현하는데 있어 실리콘 전력 MOSFET은 두 가지 이유로 인해 주요 제한 요소가 되고 있다.
첫 번째는 전류 및 전압 요구사항을 충족시키기 위해 큰 다이 사이즈를 필요로 하기 때문에 게이트 전하가 커진다. 이로 인해 MOSFET의 턴온을 크게 지연시키게 된다. 두 번째로, 대형 MOSFET은 다이의 양면에 연결되는 수직 디바이스이라는 점이다. 이는 외부 패키지를 사용하도록 만들기 때문에 전력 루프와 게이트 드라이브 루프 모두 상당한 인덕턴스가 추가된다. 전자는 더 높은 전압을 필요로 하게 되고, 다이크기도 커지게 되며, 후자는 디바이스의 턴온을 지연시킨다.
지난 수년 동안 GaN 기반의 새로운 전력 FET가 상용화되었다. GaN FET는 라이다 애플리케이션 에서 실리콘 MOSFET에 비해 여러 압도적인 장점을 가지고 있다. 첫째, 동급 정격 전류의 MOSFET에 비해 최대 10배의 낮은 입력 커패시턴스 CISS를 가지고 있으며, 훨씬 더 빨리 GaN FET를 턴온할 수 있다. 둘째, GaN FET는 WLCSP를 사용할 수 있는 측면 디바이스이다. WLCSP는 매우 낮은 인덕턴스와 뛰어난 열 성능 및 높은 안정성, 추가 비용최소화 등의 이점을 제공한다. 마지막으로, GaN FET의 다이는 동급의 전압 및 전류 등급을 갖춘 실리콘 전력 MOSFET 보다 훨씬 작기 때문에 인덕턴스를 줄이고, 멀티 채널 라이다와 같은 애플리케이션을 위해 인접 레이저 간격을 좁힐 수 있다.

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[그림 7] IDLpk = 30A, tw = 4ns, VDLF = 9V에 대한 버스 전압 VIN 대 인덕턴스 L1

기본 디자인 프로세스
이제 공진형 라이다 드라이버 설계를 수행하기 위해 위의 정보들을 활용할 수 있다. 일반적으로 시스템 설계에서 요구되는 일부 레이저 펄스 사양으로 시작해 보자.
이러한 요구사항은 다음과 같다:
* 펄스 피크 진폭 IDLpk
* FWHM 펄스 폭 tw
* 펄스 반복 주파수 PRF
* 레이저 다이오드 전압 강하 VDLF
기본 펄스 요구사항이 선택되면, 설계를 완료하는데 필요한 다음 요소는 전력 루프 인덕턴스 L1이다. L1의 결정은 섹션 3.4에서 논의되었지만, 지금은 좋은 추정 값을 가지고 있다고 가정 하도록 하자.
공진형 커패시터 C1의 값을 결정하기 위해 방정식 (4)와 (6)을 사용해 다음을 얻을 수 있다:
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재충전 레지스터 R1의 값은 (2)에서 결정되므로 다음과 같다:
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τchrg ≫ tres이기 때문에 τchrg의 충분한 값을 선택하기만 하면 된다. 일반적으로 펄스 듀티 사이클이 1% 미만이 되도록 열 제한이 이뤄져야 하기 때문에 R1의 값은 보통 정밀한 결정이 필요하지는 않다. 더 높은 듀티 사이클 값에서 동작하는데 필요한 값은 섹션 6.4에서 추가로 논의하기로 하겠다.
마지막으로 필요한 버스 전압 VIN 은 방정식 (7)을 통해 결정되며, 또한 FET Q1에 적합한 부품번호를 선택하는데 IDLpk를 함께 사용한다. 방정식 (7), (8), (9)를 통해 설계를 완료하는데 필요한 나머지 값을 결정한다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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