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초고속, 고출력 레이저 드라이버 시스템 구현- 저비용으로 더 멀리 더 선명하게


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자료제공/EPC(Efficient Power Conversion)


애플리케이션

LiDAR(Light Detection and Ranging)는 센서로부터 빛의 펄스를 전송하고, 이에 대한 반사를 측정하여 물체의 위치와 거리를 결정하는 원격 센싱 기술이다(그림 1 참조).
자율주행 및 보조주행과 같은 애플리케이션의 경우, 필요한 거리 분해능을 달성하기 위해서는 단 몇 나노초 미만의 짧은 펄스가 필요하다. 이러한 펄스는 일반적으로 레이저 다이오드를 이용해 생성한다. 충분한 거리를 확보하기 위해서는 피크 광 출력이 높아야 하는데, 레이저 다이오드의 전류 피크 값은 10s~100s 사이의 출력전류를 의미한다.?이를 위해 최근까지는 복잡한 회로와 고가의 특수 반도체를 사용해야 했다.

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[그림 1] 전형적인 LiDAR 시스템 개요


eGaN® FET가 등장하면서 필요한 성능을 저비용의 간단하고, 작은 회로로 구현할 수 있게 되었다. LiDAR에 가장 많이 사용되는 세 가지 FET는 EPC2036, EPC2016C, EPC2001C이다(그림 2 참조). GaN의 매우 높은 성능과 칩-스케일 패키지의 매우 낮은 인덕턴스를 갖춘 eGaN FET는 펄스 레이저 드라이버에 이상적인 스위치이다.

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[그림 2] EPC2036, EPC2016C, EPC2001C는 자율주행 차량의 LiDAR 시스템에 널리 사용되고 있다.

동작 방식


가장 간단하고, 가장 보편적인 레이저 드라이버는 그림 3에 나타낸 공진형 정전용량식 방전 드라이버이다. FET Q1은 기생 인덕턴스(Stray Inductance) L1 및 레이저 DL을 통해 공진 방식으로 C1을 방전시킨다. 인덕턴스 L1을 극복하고, 원하는 빠른 전류 상승시간을 달성하기 위해 C1은 상대적으로 높은 전압으로 충전된다.(보통 25V~150V) FET Q1은 이 전압을 견디고, 피크 전류를 전도하고, 1ns 미만으로 턴온할 수 있어야 한다. eGaN FET는 현재 공급되는 솔루션 중 유일하게 이러한 요구사항을 충족할 수 있는 비용 효과적인 반도체 스위치이다.

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[그림 3] 핵심 파형을 가진 간단한 레이저 드라이버

EPC9126 및 EPC9126HC 레이저 드라이버 데모 시스템은 EPC 전력변환 애플리케이션에 권장되는 것과 동일한 최적의 기본 레이아웃 원리를 사용하여 인덕턴스를 최소화하도록 설계되었다. EPC9126은 EPC2016C가 내장되어 있으며, 삼중접합 레이저에 4ns 미만으로 35A 펄스를 생성한다. 고전류 버전인 EPC9126HC는 8ns 미만의 폭으로 65A 펄스를 생성할 수 있다. 두 드라이버 모두 주요 파형 감지 기능을 내장하고 있으며, 여러 레이저 패키지에 적용할 수 있다. 그림 4는 EPC9126/HC를 보여주고 있다.

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[그림 4] EPC9126 레이저 드라이브 데모 보드 시스템과 측정된 파형

최고의 성능을 위해 특정 레이저용 PCB에 최적화하고, 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments) LMG1020과 같은 고성능 게이트 드라이버와 쌍을 이룰 수 있다. EPC2016C는 엑셀리타스(Excelitas)의 TPGAD1S09H와 같은 저인덕턴스 표면실장 레이저를 사용하여 26A, 1.8ns 펄스를 얻을 수 있다.(그림 5) 매우 높은 피크 전력(>4kW)을 위해서는 160A 펄스 전류 등급을 갖춘 200V EPC2047을 통해 동일한 드라이버와 레이저로 8ns, 155A 펄스를 얻을 수 있다.(그림 6)

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[그림 5] EPC2016C FET 및 텍사스 인스트루먼츠의 LMG1020 드라이버, 엑셀리타스의 TPGAD1S09H 표면실장 삼중접합 레이저

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[그림 6] EPC2047 FET 및 텍사스 인스트루먼츠의 LMG1020 드라이버, 엑셀리타스의 TPGAD1S09H 표면실장 삼중접합 레이저

자동차 등급 인증 부품


EPC는 자동차 LiDAR 애플리케이션을 위해 AEC-Q101 인증을 획득한 80V 등급의 75A 펄스 전류 성능을 제공하는 EPC2202와 80V 등급의 17A 펄스 전류 성능을 갖춘 EPC2203을 출시했다. EPC2202는 EPC2016C와 동일한 풋프린트를 가지고 있으며, EPC2203은 EPC2036과 풋프린트가 동일하다.

LiDAR는 빠르게 변화하는 기술이며, 성능 또한 계속해서 발전하고 있다. 센서가 이러한 새로운 진화에 대응할 수 있도록 최신 기술 정보를 지속적으로 확인하는 것이 필요하다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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