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라이다를 위한 eGaN FET - EPC9126 레이저 드라이버 최대한 활용하기 ②


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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.


전력 루프 인덕턴스 결정

우리는 이미 필요한 입력 전압이 레이저 인덕턴스 대비 거의 선형적으로 증가하고, 입력 전압이 FET와 커패시터의 정격을 결정한다는 것을 보았다. 또한 레이저 드라이버 버스 전압은 다른 곳에서 나오게 되는데, 회로의 다른 부스트 컨버터에서 나왔을 가능성이 높다. L1이 감소할수록 나머지 설계는 더 간단하고 저렴해진다. EPC9126xx의 부유 인덕턴스는 FET 및 장착 위치 부하에 따라 1nH 정도이다. 이 값은 특히 각기 다른 레이저 패키지를 수용할 수 있도록 설계의 다양성을 높이기 위한 절충안이기 때문에 달성 가능한 최상의 값보다 더 높은 것이다.
이제 다른 인덕턴스 소스를 살펴보자. 주요 소스 중 하는 레이저이다. 앞서 살펴본 바와 같이, 스루홀 레이저는 최상의 경우에 약 5nH를 기여할 것으로 예상되지만, 이보다 훨씬 높은 경우가 많다. 표면실장 레이저는 약 1~3nH에 가깝게 기여하며, 이는 레이저가 압도적인 인덕턴스 소스가 됨을 의미한다.
레이저 인덕턴스의 대부분은 와이어 본딩을 포함한 레이저 패키지에서 발생한다. 레이저 제조업체들은 레이저 패키지 인덕턴스가 성능을 압도할 수 있다는 사실을 잘 알고 있기 때문에 가까운 미래에 이 분야에서도 발전이 이뤄질 것으로 기대된다.
불행하게도 L1의 값은 설계 초기에 정확히 알기 어렵다. 따라서 일부 반복작업이 필요할 수도 있다. 초기 설계에서 FET에 추가 전압 마진을 고려함으로써 예상치 못한 인덕턴스를 어느 정도 극복할 수 있다.

EPC9126xx 하드웨어 드라이버 설계

EPC9126xx 레이저 드라이버를 위한 일반적인 연결 다이어그램은 그림 8에 나와 있다. 연결 및 동작에 대한 완벽한 설명은 퀵 스타트 가이드에서 확인할 수 있으며, 여기에서는 이 다이어그램을 간략하게 검토하도록 하겠다.
모든 신호 I/O는 SMA 커넥터를 사용한다. 이 설계에는 J3, J7, J9, J10에서 얻은 출력과 임베디드 전송 라인 프로브로 구성된 전압 테스트 포인트가 포함되어 있다. 전류 측정 션트의 출력은 J6을 사용할 수 있다. 설계의 세부사항은 거버 레이아웃 파일과 전체 회로도를 비롯해 참고자료 [3, 4]에서 확인할 수 있다.
드라이버의 사진과 설계의 핵심 부분에 대한 확대도는 그림 8에 나와 있다. 인덕턴스 L1을 최소화하기 위해 에너지 저장 커패시터 C1(PCB 상의 C11, C12, C13, C14, C15) 및 전류 측정 션트(R12, R13, R14, R15, R16)는 병렬로 연결된 5개의 0402 사이즈의 표면실장 패키지로 구성되어 있다. 상단 면과 접지 면의 간격은 250μm(10mil)로 인덕턴스를 최소화한다. 비용을 최소화하기 위해 블라인드와 매설, 마이크로비아는 사용되지 않았다.

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[그림 8]

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[그림 9] 실험 검증을 위한 GaN FET 기반의 EPC9126 레이저 드라이버

전류 측정을 위해 우수한 션트 성능을 얻기 위해 션트 저항을 거꾸로 장착해야 했으며, 션트 등가 직렬 인덕턴스는 200pH~40pH까지 감소하고, 이에 따른 션트 대역폭은 4배 증가하는 것으로 나타났다.

실험 결과

EPC9126 및 EPC9126HC는 모두 이 글의 작성 시점에 즉시 사용 가능한 가장 낮은 인덕턴스 표면실장형 고출력 펄스 레이저인 엑셀리타스(Excelitas)의 TPGAD1S09H 표면실장형 레이저로 테스트되었다. 각각의 경우, 회로 테스트 결과, 75V의 입력 전압이 나왔다.

EPC9126

전력 루프 인덕턴스 L1은 2.3nH로 추산되었다. IDLpk = 35A 및 3.5ns 펄스 폭으로 설계하면, C1 = 1.2nF 및 VIN = 60V가 된다. 커패시터 값은 표준 부품 값으로 얻을 수 있는 가장 근접한 값인 C1 = 1.1nF가 사용되었다. NP0/C0G 세라믹 커패시터는 안정적인 커패시턴스와 낮은 손실 때문에 사용되었다. VIN = 75V에 대한 테스트 결과는 그림 10에 나와 있다. 피크 전류, IDLpk = 35A는 tw= 3.4ns로 도달한다. 이는 레이저 PDLpk > 300W에 대한 최대 전력 입력량에 해당한다.
결과치와 계산의 불일치는 다른 커패시턴스 값과 인덕턴스 추정 오차, 션트에서의 추가 전압 강하 및 레이저 다이오드 전압 강하가 실제로 고정된 값이 아니기 때문에 발생한다.

EPC9126HC

전력 루프 인덕턴스 L1은 2.0nH로 추산되었으며, EPC2016C에 비해 EPC2001C의 더 넓은 풋프린트로 인해 감소되었다. IDLpk = 70A 및 5ns 펄스 폭으로 설계하면, C1 = 2.85nF 및 VIN = 78V가 된다. 커패시터 값은 표준 부품 값으로 얻을 수 있는 가장 근접한 값인 C1 = 2.8nF가 사용되었다. NP0/C0G 세라믹 커패시터는 안정적인 커패시턴스와 낮은 손실 때문에 사용되었다. VIN = 75V에 대한 테스트 결과는 그림 11에 나와 있다.
피크 전류, IDLpk = 63A는 tw= 5.0ns로 도달한다. 이는 레이저 PDLpk>1300W에 대한 최대 전력 입력량에 해당한다. 결과치와 계산의 불일치는 약간 다른 커패시턴스 값과 인덕턴스 추정 오차, 션트에서의 추가 전압 강하 및 레이저 다이오드 전압 강하가 실제로 고정된 값이 아니기 때문에 발생한다.

9126에 대한 도움말 및 유용한 정보

EPC9126xx는 유연성이 뛰어나기 때문에 새로운 아이디어를 시도하거나 빠르고 높은 전류 펄스에 대한 실제 부품 동작을 자세히 파악하는데 사용할 수 있다. 이 섹션에서는 설계에 대한 세부 정보와 함께 각기 다른 방향에 대한 제안을 추가로 논의하고자 한다.
그림 12는 EPC9126xx의 블록 다이어그램이며, 이 섹션에 대한 유용한 레퍼런스를 제공한다.

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[그림 10] VIN = 75V의 EPC2016C GaN FET를 장착한 EPC9126 레이저 드라이버의 실험 결과. 피크 전류 IDLpk = 35A는 tw = 3.4ns에서 도달되었다.

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[그림 11] VIN = 75V의 EPC2001C GaN FET를 장착한 EPC9126HC 레이저 드라이버의 실험 결과. 피크 전류 IDLpk = 63A는 tw = 5.0ns에서 도달되었다.

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[그림 12] EPC9126xx의 블록 다이어그램

입력 및 출력

레이저 펄스 드라이버의 빠른 속도를 위해서는 RF 기법과 특히 제어 임피던스와 케이블 및 측정을 위한 50Ω의 표준 임피던스 사용이 필요하다. 이것이 무엇을 의미하는지 확실하지 않다면, 시작하기에 좋은 레퍼런스가 있다. 이 글에서는 전체적인 설명은 피하도록 하겠다.
이 레퍼런스는 이번 주제에 익숙하지 않은 사람들에게 좋은 참고자료가 될 것이다. 입력은 낮은 인덕턴스 50Ω 저항(병렬로 연결된 두 개의 100Ω 레지스터)으로 터미네이션되며, 2.5V의 임계값을 갖는 비교기에 직접 공급된다. 50Ω 케이블과 펄스 생성기를 연결하면, 최소한의 링잉 및 반사가 이뤄진다. 로직 게이트로 이 보드를 직접 구동하고자 한다면, 많은 로직 게이트의 출력 임피던스가 수백 ohms이 될 수 있다는 점을 명심해야 한다. 즉, 충분히 높은 전압으로도 입력이 구동되지 않는다.
이 경우 입력 종단 저항을 제거할 수 있지만, 로직 게이트와의 연결은 모든 링잉 및 펄스 반사를 최소화하는 방식으로 이뤄져야 한다. 익숙하지 않은 경우 위에서 언급한 레퍼런스를 참조하면 된다.
모든 출력은 50Ω 부하로 올바르게 작동하도록 설계되었다. 이는 50Ω의 내부 입력을 갖는 오실로스코프와 연결된 50Ω 케이블을 사용하는 것이 가장 좋다. 스코프 입력을 1MΩ으로 설정하고 스코프 입력에 외부 50Ω 터미네이션을 사용하면 동작하지만, 1MΩ 입력 연결의 일반적인 입력 커패시턴스로 대역폭이 제한된다. 이 커패시턴스는 측정 대역폭을 <200MHz으로 제한하여 최소 측정 상승시간이 1ns 정도에 이르게 되는데, 이는 실제 동작보다 훨씬 느리게 보일 수 있다.

레이저 장착

EPC9126xx는 레이저나 다른 부하의 패키징 및 장착이 유연하도록 설계되었다. 납땜 레이저 다이오드 패키지를 장착할 수 있도록 100mil 간격의 스루홀을 가지고 있다. 또한 엑셀리타스의 표면실장형 레이저 다이오드를 위한 풋프린트도 제공된다. 마지막으로 다른 패키지나 베어 레이저 다이도 유연하게 탑재할 수 있는 베어 패드를 갖추고 있다. 그림 13은 레이저를 장착할 수 있는 몇 가지 방법을 보여준다.

공진형 커패시터
인덕턴스가 최소화되면, 설계자가 제어할 수 있는 주요 파라미터는 전압과 공진 커패시턴스이다. 공진형 커패시터는 NPO/C0G 세라믹 유전체가 되거나 또는 도기나 유리, 운모와 같이 낮은 손실과 선형성 및 안정적인 유전체를 갖춘 다른 커패시터이어야 한다.

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[그림 13] EPC9126xx에 레이저 또는 다른 부하를 장착하는 다양한 방법. 왼쪽 위: 기존의 스루홀 장착 방식.
오른쪽 위: 레이저 양극 리드가 상단에 있고, 음극 리드는 PCB 하단에 있다. 왼쪽 아래: 레이저의 모든 리드가 위쪽에 있다. 오른쪽 아래: 표면실장형 레이저.

충전 저항

공진형 커패시터는 (1)에서 주어진 시간 상수 τchrg로 충전 저항 R1(EPC9126xx의 R2, R3, R5, R6의 병렬 조합으로 구성됨)을 통해 충전된다. 최종 값의 >99%까지 공진 커패시터를 충전하는데 t = 5τchrg가 소요되기 때문에 최대 펄스 반복 주파수를 PRF = 1/5 ? τchrg로 설정할 수 있다. 설계자가 보다 높은 PRF 값을 원하면, 레이저 출력이 약간 저하되는 것을 허용하거나 R1 값을 줄일 수 있다.
R1 이 줄어들면, Q1이 켜지면서 추가 전류가 흐르게 되지만, 5τchrg ≫ tw의 경우 허용될 수 있는 수준이다.
그림 5에 나타낸 이상적인 공진형 시스템과 그림 6의 관련 파형의 경우, 커패시터 C1이 맨처음 충전되는 것을 제외하고, 커패시터의 초기상태는 VC1(t2) = VIN ? 2VDFL이 되는 것을 알 수 있다. 이는 재충전 시의 아주 좋은 근사치이다. 모든 전력은 R1에서 소실되며, R1에서 소산된 에너지는 다음과 같다:
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이는 R1과는 독립적이며, 전력 소실은 다음과 같다:
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높은 PRF에서 전력 소실은 상당할 수 있으며, 레이저 자체의 전력 소실에 추가된다. 전력 소실이 너무 큰 경우, 부스트 컨버터와 같은 다른 재충전 방법을 고려해야 한다.

전송 라인 프로브

션트 측정을 제외한 모든 감지 측정 SMA는 서브 ns 시간대의 파형 충실도를 얻기 위해 전송 라인 전압 프로브 원리를 이용한다. 이러한 프로브는 일반적으로 500~5k 정도의 비교적 낮은 프로빙 임피던스를 갖게 되지만, 이 임피던스는 거의 순수 저항성이며, 대역폭은 수 GHz로 매우 높아질 수 있다. 이 프로브는 PCB에 내장되어 관심있는 노드와 이상적으로 연결할 수 있기 때문에 파형 충실도 및 재연성을 향상시킨다.
내장된 프로브로 유용한 측정을 수행하기 위해서는 다음 세 가지 특성을 고려해야 한다. 첫째, 스코프 입력을 50Ω으로 설정한 오실로스코프와 연결해야 한다. 1MΩ 입력을 50Ω 터미네이터와 사용하면 거의 모든 스코프의 대역폭이 심각하게 제한되기 때문에 권장하지 않는다. 둘째, 각 내장 프로브에는 반드시 고려해야 할 자체 감쇠계수가 있다. 셋째, 프로브의 임피던스가 낮다는 것은 평균 DC 전압, 즉 드레인 전압이 큰 지점에서 상당한 전력 소실이 발생할 수 있음을 의미한다. 이러한 소실을 방지하기 위해 고전압 측정을 위한 테스트 포인트에는 DC 블로킹 커패시터를 포함한다. 이는 일반적인 관심 파형에 거의 영향을 미치지 않는 고대역 통과 필터를 형성한다. 그러나 긴 펄스 폭이 사용되면, 이러한 테스트 포인트에서 잘못된 결과가 초래될 수 있기 때문에 외부 프로브를 사용해야 한다. 내장 전송 라인 프로브는 텍트로닉스(Tektronix)의 P9158 3GHz 전송 라인 프로브[24]와 거의 동일한 결과를 도출하는 것으로 검증되었기 때문에 예상 대역폭은 최소 3GHz이다.

전류 감지

전류 감지는 전력 전자에서 가장 어려운 문제다! 펄스 레이저 드라이버의 전류 감지는 장단점을 모두 가지고 있다. 장점은 동작 검증, 레이저 펄스의 타이밍 결정, 그리고 눈의 안전을 보장하면서도 범위를 최대화하는 광 파워 제어 등이 있다. 그러나 전류 감지는 많은 단점도 가지고 있다. 인덕턴스 추가, 전력소실 증가, 파형 정확도 저하, 비용부담, 그리고 인덕턴스를 극복하기 위한 레이저 드라이브 전압 감소 등을 들 수 있다.
전류 측정 기능은 추가된 전력 루프 인덕턴스를 최소화하기 위해 4개의 0402 저항으로 구성된 저항성 전류 션트의 형태로 EPC9126xx에 포함되어 있다. 레이저 드라이버의 낮은 듀티 사이클을 통해 이러한 소형 저항을 매우 높은 전류에서도 사용할 수 있다.
성능에 부정적인 영향을 최소화하면서도 경제적인 전류 감지 기능을 포함시키기 위해 전류 션트 성능을 절충하는 경향이 있는데, 이로 인해 전류 파형의 상당한 왜곡이 초래될 수 있다. 일반적으로 높은 피크 전류로 인한 전압 강하를 최소화하기 위해서는 매우 작은 저항 값의 션트를 사용하는 것이 바람직하다. 불행하게도 병렬로 연결된 5개의 0402 사이즈 저항의 매우 작은 인덕턴스조차 션트 임피던스와 측정 자체에 큰 영향을 미칠 수 있다. 에지 전이 시간 tt = 2ns의 직사각형 펄스를 가정하여 이러한 영향을 보수적으로 추산할 수 있다. 최대 3dB 대역폭의 펄스를 다음 방정식으로 계산할 수 있다:
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L1shunt로 표시되는 션트의 부분적인 인덕턴스 기여도는 레이저 다이오드를 PCB 상에 평평하게 장착할 수 있는 동판으로 대체하고, Q1의 스위칭이 시작될 때의 발진 주파수를 통해 추산했다. 이는 L1shunt = 1.21nH가 산출되었다. 그런 다음 션트 저항을 거꾸로 장착하여 인덕턴스를 평가했으며, 마지막으로 션트 저항을 동판으로 교체하여 측정했다. 이 결과는 표 2에 나와 있다.
표 2에서는 션트가 없는 경우와 비교하여 정상적으로 장착된 션트 저항의 경우 Lshunt,A = 200pH, 거꾸로 장착된 션트의 경우 Lshunt,B = 40pH가 산출된 것을 확인할 수 있다. fw = 1 75MHz에서 Lshunt, A에 대한 유도 리액턴스는 다음과 같다:
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션트의 저항 값은 유도 리액턴스의 최소 5배 이상이어야 하며, Rshunt,A ≥ 1.1Ω에 해당된다. 그 결과 피크 전류에서 39V의 전압 강하가 발생하며, 이는 트랜지스터 정격 전압의 40%에 이른다. 션트 저항을 거꾸로 장착하여 이를 5배까지 줄임으로써 Rshunt,B ≥ 0.22Ω를 얻을 수 있다. 최종 값 Rshunt = 0.20Ω은 부 품의 가용성을 기반으로 선택된 것이다.

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[표 2] 션트 인덕턴스 측정

파형에 미치는 영향을 확인하기 위해 그림 14는 위에서 언급한 3가지 경우에 대해 tw = 3.3ns로 수행되는 간단한 션트 시뮬레이션 회로를 보여주고 있다. 그림 15는 이에 대한 결과이다. 200pH의 작은 값(PCB 상에 병렬로 연결된 0402 저항)이라 하더라도 짧은 펄스에 대해 상당한 오류를 유발할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 인덕턴스의 영향은 전류 신호의 일부를 차별화하여 파형의 초기 부분과 피크를 과장시킨다. 펄스가 짧아지면 이러한 오류는 더욱 심각해진다.
불행히도 경제적으로 저항을 거꾸로 설치하기가 어렵기 때문에 케이스 A에 해당하는 보드가 선적되고 있다. 충분한 상업적인 인센티브가 있다면, 이러한 업체를 찾을 수도 있을 것이다. 한 제조업체는 이미 이렇게 진행하고 있지만, 유감스럽게도 이 글의 작성시점에 제공되는 최대 값은 측정하기에 너무 작다. 보다 정확한 전류 측정이 필요한 경우, 저항을 거꾸로 다시 장착하거나 더 큰 값이 필요하며, 두 가지 모두 요구될 수도 있다. 오실로스코프에 프로그램이 가능한 주파수와 단극 차단 기능이 있는 저대역 통과 필터 기능이 있다면, 더 정확한 결과를 얻기 위해 동일한 주파수에서 극이 있는 전류 션트의 응답을 제로로 취소해야 할 것이다.

듀얼 에지 제어

논의한 바와 같이, 공진형 정전용량식 방전 레이저 드라이버는 몇 가지 유용한 특성을 가지고 있다. 그러나 이들은 주어진 전력 루프 인덕턴스에 대해 중대한 한계를 가지고 있다. 즉 펄스 높이는 제어할 수 있지만 펄스 폭은 제어할 수 없다는 것이다.
또한 펄스 폭은 총 펄스 에너지를 제어하는데 사용될 수 있으며, 개별 펄스에 대해 이러한 제어가 필요한 경우 펄스 진폭보다 제어하기가 더 쉽다. 일부 경우에는 레이저 다이오드 또는 다른 부하를 PCB에서 분리해야 한다. 이는 상당한 인덕턴스를 추가할 수 있는 일련의 상호 연결을 필요로 한다. 이러한 제한 사항 중 일부를 해결하기 위해 듀얼 에지 제어, 즉 드라이브 FET의 턴온 및 턴오프 모두 펄스 형태를 제어하는데 사용된다.
듀얼 에지 제어 기능이 있는 EPC9126xx를 사용하기 위해서는 사양으로 명시되어 있지는 않지만 최소 펄스 폭이 약 6ns를 가지고 있는 UCC27611 게이트 드라이브의 한계에 대해 먼저 파악하고 있어야 한다. 이는 펄스길이를 제한한다. 일반적인 듀얼 에지 제어 애플리케이션의 경우 공진형 커패시터 및 충전 저항을 변경해야 할 수도 있다. 전류가 제한되어야 하는 경우, PCB의 버스 전압 입력에 추가 버스 커패시턴스가 있기 때문에 충전 저항을 이 용도로 사용할 수 있다.
마지막으로 스위치가 턴오프되면, 전력 루프 인덕턴스의 전류가 차단되어 FET 및 레이저 다이오드 또는 다른 부하에 링잉 및 오버슈트가 발생할 수 있다는 점을 고려해야 한다. 이러한 링잉은 인덕턴스 및 턴오프 시간의 전류, 레이저와 FET, PCB의 커패시턴스에 따라 달라진다. 전압 오버슈트를 제어하기 위해 일부 클램프 다이오드를 추가해야 할 수도 있다. 적합한 클램프 다이오드를 찾는 것은 매우 어렵다.
대부분의 다이오드는 전력 루프 인덕턴스와 유사한 패키지 인덕턴스를 가지고 있기 때문에 응답 속도를 제한하게 된다. 또한 클램프 전류가 높으면, 이를 처리하기 위한 더 큰 다이오드는 부가적인 링잉을 유발하는 상당한 커패시턴스를 가질 수 있으며, 경우에 따라 바람직하지 않은 레이저 펄스가 반복적으로 유발될 수 있다. 듀얼 에지 애플리케이션에 EPC9126xx를 사용할 때는 신중한 시뮬레이션과 실험을 모두 계획하는 것이 좋다. 특히 실험이 중요하다. 필자의 경험에 따르면, 필요한 전압 및 전류 정격을 갖는 다이오드를 선택할 때 현재 공급되고 있는 모델들은 라이다 애플리케이션에서 요구되는 매우 짧은 전이에 대한 다이오드 동작을 정확하게 설명하고 있지 못하다.

좁은 펄스 발생기

짐 윌리엄스의 전통적인 설계 방식을 기반으로 EPC9126xx에도 좁은 펄스 발생기가 포함되어 있다. 기본적으로 이 회로는 활성화되지 않고, 펄스 입력은 게이트 드라이브 IC로 곧바로 이동한다. 그러나 0Ω 점퍼를 변경하여 이 회로를 사용함으로써 매우 짧은 펄스를 생성할 수 있다. 이 회로를 사용하고자 하는 한다면, 윌리엄의 애플리케이션 노트를 참조하는 것이 좋다.

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[그림 15] 션트 직렬 인덕턴스의 3가지 값에 대한 그림 14의 시뮬레이션 모델 결과

결론

GaN 전력 트랜지스터의 탁월한 성능은 획기적으로 레이저 드라이버의 성능을 향상시킬 수 있다. 몇 제곱 밀리미터에서 수백 와트를 제공하는 한 자리수 나노초의 고전류 펄스를 생성하는 능력은 매우 탁월하다. 이는 소형 폼팩터를 기반으로 경제적인 고성능 라이다를 구현할 수 있는 주요 요소 중 하나이며, 이를 통해 라이다 혁명을 더욱 가속화시킬 수 있다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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