効果的にLiDARの性能を引き出すためのドライバ、スイッチ、レーザーダイオードの役割の理解

著者 Bill Schweber氏

DigiKeyの北米担当編集者の提供

2025-02-06

光検出と測距（LiDAR）システムは、自動車、無人搬送車（AGV）、あるいはロボット掃除機が周囲を「見る」ことを可能にするための最適な方法となっています。ドローンや高空飛行する航空機もLiDARを使用して、より遠距離の地形をナビゲートしマッピングします。

LiDARはよく研究されていますが、設計者は、ゲートドライバ、ゲートスイッチFET、光パルスを生成するのに必要なレーザーダイオードなどの主要部品を選択する際に細心の注意を払う必要があります。

この記事では、まずLiDARの概要を説明し、次に重要な電気光学部品の例を示し、それらがどのように連携して必要なパルスを発生させるかを説明します。

LiDARの仕組み

LiDARは、短い、中程度のパワーの光パルスを連続的に出力し、その反射をとらえることで作動します。飛行時間（ToF）を測定し、3次元（3D）視点を示す周囲の点群を作成します（図1）。多くのシステムでは、より広いエリアをカバーするために、複数のレーザーダイオードをマトリックス状に使用しています。

LiDARによる点群の作成の画像 図1：LiDARのアプローチは、周囲の3Dレンダリングを提供する点群を作成します。（画像提供：Blickfeld GmbH）

アプリケーションはLiDARシステムの性能を決定します。移動速度が遅く、エリアが限定されるロボット掃除機やAGVに使用されるシステムは、より速い速度に対応し、車両、自転車、歩行者に反応しなければならない自動車に使用されるシステムよりも、範囲と角度分解能の要件がはるかに緩くなっています。車載アプリケーションのトップレベルの性能目標としてよく挙げられる数値は、100m～200mの有効範囲と0.1°の角度分解能です。

2軸の電気機械式ガルバノメータが、レーザー光線を画像領域全体をスキャンし、正確な点群を実現します。LiDARシステムは、各発光パルスとそれに関連する反射光のToFを測定するため、車両が周囲を正確にナビゲートするために必要な深度視点を持つ3D画像を作成することができます。

LiDARの核となる電気光学経路

AGVに使用されるような完全なLiDARシステムは、相互接続された光学、アナログ、プロセッサ、および機械ブロックの多様なセットを必要とします。システムの中核となるのは電気光学経路で、レーザーベースの光源と同位置の光レシーバで構成されています（図2）。

図2：LiDARシステムの心臓部である電気光学信号経路と関連部品（右側、中段）。（画像提供：ROHM）

光パルスのストリームを生成する光源の信号経路は、専用のマイクロコントローラユニット（MCU）によって制御され、所望する光パルス繰り返し速度と幅を決定します。光学経路には3つの重要な機能要素があります。

ゲートドライバは、ゲートスイッチをオン/オフするために、速い立ち上がり時間と立ち下がり時間を持つ高速パルスを供給します。
ゲートスイッチFETは、レーザーダイオードの電流の流れを制御するために、オンとオフを明確に切り替えます。
レーザーダイオードは、必要な波長で独立した、重ならない光パルスを生成します。

これらの部品を選択し、統合するには、視野、レーザーダイオードのパワーと波長角度感度、光学信号対雑音比（SNR）などの光学特性だけでなく、電気的な問題についても理解する必要があります。高度なソフトウェアアルゴリズムにより、電気光学信号経路におけるいくつかの制限や、検出された環境における課題を克服することができます。しかし、これらのアルゴリズムが欠点を補うことができると考えるのではなく、LiDAR用に最適化された部品を選択することが賢明な技術者の仕事です。

これらの各機能の代表的な部品を見ると、LiDARに最適化されたデバイスがいかに多くの課題に対処しているかがわかります。

ゲートドライバ

ROHM SemiconductorのBD2311NVX-LBE2（図 3）は、AGV などの産業用アプリケーションに最適なシングルチャネルの超高速GaNゲートドライバです。必要な駆動電流と電圧の必要な組み合わせを提供します。わずか2.0mm × 2.0mm × 0.6mmの6ピンパッケージで、4.5V～5.5Vの電源電圧範囲で最大5.4Aの出力電流を供給できます。

ROHMのBD2311NVX-LBE2シングルチャンネルゲートドライバの画像図3：BD2311NVX-LBE2シングルチャンネルゲートドライバは、LiDARゲートスイッチを正確に制御するために必要な駆動電流と電圧の組み合わせを提供します。（画像提供：ROHM）

BD2311NVX-LBE2は、GaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）などのスイッチングデバイスを狭い出力パルスで駆動できるため、LiDARの長距離および高精度化に貢献します。これらのパルス関連パラメータには、最小入力パルス幅1.25ナノ秒（ns）、標準的な立ち上がり時間0.65ns、標準的な立ち下がり時間0.70ns（いずれも220ピコファラド（pF）負荷時）が含まれます。ターンオンの遅延時間は3.4ns、ターンオフの遅延時間は3.0nsです。

ゲートスイッチFET

ゲートドライバの出力は、電流制御スイッチデバイスの制御入力に接続されます。このデバイスは、ゲートドライバの指示に従ってオンとオフの状態を高速に切り替え、通常50A～100Aという比較的大きな電流値を処理しなければなりません。

EPCのEPC2252は、車載規格（AEC-Q101）に準拠したNチャネルエンハンスメントモードGaNパワートランジスタです。EPC2252は、非常に低いオン抵抗（R_DS(ON)）のための非常に高い電子移動度と低い温度係数を特徴とし、そのラテラルデバイス構造と多数キャリアダイオードにより、非常に低い総ゲート電荷（Q_G）とゼロソース-ドレイン回復電荷（Q_RR）を実現します。その結果、非常に高いスイッチング周波数と短いオン時間が可能で、オン状態の損失が支配的なタスクを処理できるデバイスが実現します。

EPC2252の80Vのドレイン‐ソース間電圧（V_DS）、11ミリオーム（mΩ）（最大）のR_DS(ON)、8.2Aの連続ドレイン電流（I_D）は、その一部を示すに過ぎません。使いやすく、オン状態のゲート駆動に必要な電圧はわずか5V、オフ状態は0Vで、負電圧は必要ありません。これにより、ドライバと電源レールの両方の考慮が簡素化されます。

その設計とダイの配置により、ゲートスイッチは75AのI_D（10マイクロ秒（μs）のT_PULSE）を扱うことができ、1.5mm × 1.5mmのパッシベーション処理されたダイとしてパッケージされ、9つのコンタクトはんだバンプがあります（図4）。440pF（標準値）の入力容量（C_ISS）など、パッケージとダイの寄生を低減することで、高速遷移による高速パルス性能をサポートします。

EPCのEPC2050パワートランジスタの画像図4：EPC2252GaNパワートランジスタは、1.5 × 1.5mmのパッケージで、大電流レーザーダイオードに必要な電流スイッチングを提供します。（画像提供：EPC）

レーザーダイオード

これは光路の最終コンポーネントで、電気光学変換器として機能します。受動的なデバイスであるカメラとは異なり、レーザーダイオードは能動的な光源であり、光を放射します。最大許容強度は、EN 60825-1:2014「レーザー製品の安全性」などの規格で定義されています。

LiDARシステムの安全性評価は、その出力、発散角、パルス持続時間、照射方向、波長によって決まります。ほとんどのシステムは905ナノメートル（nm）または1550nmの波長を使用しており、それぞれレーザーと適切なフォトダイオード間の許容可能な効率と波長の互換性を提供しています。一般的に1550nmのレーザーは、905nmのレーザーよりも高い出力を安全に放射することができます。しかし、905nmのレーザーは費用対効果が高いので人気があります。

905nmの波長では、ROHMのRLD90QZW3-00Aが、LiDARアプリケーションに最適化されたパルスレーザダイオードです。順方向電流（I_F）23Aで75Wの出力をサポートし、ビーム幅（発散角）、ビーム波長の狭さ、ビーム安定性の3つのパラメーターで優れた性能を発揮します。

ビーム発散は、回折によるビームの広がりを定義します。RLD90QZW3-00Aの標準的な値は、垂直面（θ_⊥）で25°、平行面（θ_//）で12°です（図5）。レーザー出力の温度安定性は1°Cあたり0.15nm（nm/°C）です。

ROHM RLD90QZW3-00Aパルスレーザダイオードのビーム発散角のグラフ 図5：RLD90QZW3-00Aパルスレーザーダイオードの標準的なビーム発散角は、垂直面で25°（左）、平行面で12°（右）です。（画像提供：ROHM）

また、このレーザーダイオードの狭い発光幅と安定した出力波長は、狭波長の光バンドパスフィルタの使用を可能にし、システム性能の向上に不可欠です。ROHMでは、このダイオードの225マイクロメートル（μm）レンジは、市販の競合デバイスよりも22%小さいため、高いビーム鮮鋭度、狭い放射率、高い光学密度で、より高い分解能と広い検出範囲をサポートしています。

これら2つの要素により、光学的SNRが向上し、より遠距離にある対象物の正確なセンシングと評価が可能になります。比較点群画像は、これらのタイトで安定した仕様が解像度に与えるプラスの影響を示しています（図6）。

図6：RLD90QZW3-00Aのパルスレーザーダイオード出力の安定性と一貫性により、SNRと点群分解能が向上しています。（画像提供：ROHM)

まとめ

LiDARは、周囲の3D視点を取り込み、地形をマッピングするために広く使用されています。LiDARシステムの中核は、実行可能なシステムに必要な複雑な機能を統合する電子および電気光学部品です。光源機能では、最適な性能を確保するために、ゲートドライバ、ゲートスイッチFET、レーザーダイオードが電圧、電流、速度、安定性に関して互換性がなければなりません。