eGaN FET 및 IC를 이용한 비용 효율적인 고성능 ToF 라이다 시스템 구현

2020년 03월 24일

글/ 알렉스 리도우(Alex Lidow), EPC 공동 설립자겸 CEO

이 글은 eGaN FET를 이용해 저렴한 비용과 보다 높은 분해능으로 더 먼거리를 확인할 수 있는 라이다(Lidar) 시스템 구현 방법을 보여준다.

애플리케이션

라이다(Light Detection and Ranging)는 전자기 방사선이 광학 대역에서 발생하는 레이더의 일종이다.[1, 2] 지난 몇 년 동안 라이다의 일종인 ToF(Time-of-Flight) 거리 측정이 대중화되었다. 레이저를 광원으로 사용하면, 장거리에서도 작은 광학 스폿의 거리를 측정할 수 있다. 그림 1에서 보는 것처럼, 조정 가능한 광학 장치와 결합하여 3D 공간에서 스폿 거리 측정과 맵 객체를 확인할 수 있다.

그림 1: 일반적인 라이다 시스템 개요

자율주행 및 보조주행과 같은 애플리케이션에서 라이다 시스템은 차량의 ‘눈’과 같은 역할을 수행하며, 필요한 거리 분해능을 달성하기 위해서는 몇 나노초 이하의 짧은 펄스가 필요하다. 이러한 펄스는 일반적으로 레이저 다이오드를 이용해 생성된다. 충분한 거리를 확보하기 위해서는 피크 광학 출력이 높아야 하며, 이는 레이저 다이오드 전류의 피크 값이 10 ~ 100 암페어에 이르러야 함을 의미한다. 최근까지 이러한 수준의 전류를 생성하려면, 복잡한 회로나 고가의 특수 반도체를 사용해야 했다.

레이저 및 펄스 요건

ToF 라이다는 일반적으로 근적외선(NIR: Near-Infrared) 반도체 레이저 다이오드나 측면 방출 에피택셜 레이저 또는 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)을 사용한다. 전기적으로 레이저 다이오드는 정류기 역할을 한다. 특정 임계 전류 이상으로 순방향 바이어스된 경우, 대략 순방향 전류(Forward Current)에 비례하는 출력 광 파워로 레이저 방사선을 방출한다. 따라서 이 전류 펄스가 구동되면, 레이저 광 펄스를 얻게 된다.[3] 레이저 광 펄스는 두 가지 주요 파라미터인 펄스 폭 및 에너지가 있다. 이 두 가지 요소는 각각 거리 분해능과 범위에 큰 영향을 미친다.

전송된 광 신호의 펄스 폭은 라이다 시스템의 거리 분해능에 큰 영향을 미친다.[4, 5] 그림 2는 그 이유를 보여준다. 상단의 케이스는 라이다에서 좁은 광 펄스가 방출되는 경우이다. 광 펄스는 거리 d에 있는 대상까지 이동하고, 대상으로부터 반사되어 다시 돌아와야 한다. 펄스 전송과 수신 간의 시간 t_d는 t_d = 2d/c이다. 여기에서 c는 대기 중 광 속도이며, 약 30cm/ns이다. 시간 t_d를 측정함으로써 거리를 결정할 수 있다. 그림 2의 하단 케이스는 폭이 더 긴 펄스가 전송되는 경우이다. 펄스가 너무 길면, 반사되는 펄스와 겹치기 시작하고, 이로 인해 환경의 특징을 구별하기가 더 어려워진다.

그림 2: 라이다 펄스 폭이 분해능에 미치는 영향. 상단: 좁은 펄스는 반사된 대상을 쉽게 구별할 수 있게 해준다.
하단: 넓은 펄스는 겹칠 수 있기 때문에 구별을 어렵게 하고, 거리 분해능을 감소시킨다.

예를 들어, 레이저 다이오드를 구동하는 1ns의 전기 전류 펄스 폭을 살펴보면, 이는 30cm의 광 펄스 길이에 해당한다. 대상의 특징이 15cm 또는 이보다 작으면, 수신된 펄스가 겹치기 시작하고 구별하기 어렵게 된다. 다양한 신호 처리 기술을 통해 해당 펄스 폭에 대한 분해능을 향상시킬 수 있지만, 짧은 펄스일수록 보다 뛰어난 정밀도를 제공하며, 실제로도 수 나노초 이하의 펄스가 인간이 수행하는 수준의 분해능에 도달하는데 더욱 적합하다.

펄스 에너지는 라이다 시스템의 범위를 결정하는 주요 요인 중 하나이다. 더 나은 분해능을 위한 더 좁은 펄스 설계의 필요성이 높아짐에 따라, 충분한 펄스 에너지를 유지할 수 있도록 다이오드 전류 또한 증가해야 한다. 일반적인 펄스 전류 값은 몇 암페어에서 수백 암페어에 이를 수 있으며, 여러 레이저 다이오드들이 수십 암페어에 이르는 공칭 펄스 전류를 지원한다. 더 짧은 펄스 폭으로 더 높은 전류에서 이러한 레이저 다이오드를 구동하고, 훨씬 뛰어난 광 출력을 얻을 수 있다.

요약하면, 라이다 시스템의 상용 레이저 다이오드를 위한 일반적인 레이저 다이오드는 수 암페어에서 수백 암페어에 이르는 최대 펄스 전류와 1ns ~ 10ns의 펄스 폭을 필요로 한다.

왜 GaN인가?

라이다 시스템을 위한 일반적인 펄스 레이저 드라이버는 레이저와 전기 에너지원과 직렬로 연결된 반도체 스위치를 사용한다. 성능은 부유 인덕턴스와 반도체 전력 스위치의 속도에 의해 좌우된다. 지난 10년 동안 비용 효율적인 GaN(Gallium Nitride) 전력 FET 및 IC가 상용화되었으며, 이는 동급 실리콘 MOSFET에 비해 인덕턴스 및 스위칭 성능지수(FOM)가 최대 10배 뛰어난 것으로 나타났다.

eGaN FET 및 IC의 등장으로 저렴한 비용과 간단하고 작은 회로를 통해 원하는 성능을 실현할 수 있게 되었다. 기존 실리콘 MOSFET 기술에 비해 eGaN FET의 성능이 크게 향상된 것은 주어진 피크 전류 기능에 대한 스위칭 속도가 훨씬 빨라졌다는 것을 의미한다.

GaN 기술은 단거리 및 장거리 라이다 센서를 모두 지원한다.(그림 3) 장거리 시스템의 경우 GaN 디바이스는 단 몇 초 만에 최대 500A 펄스의 매우 높은 전류를 제공할 수 있다. 또한 낮은 전류 요건과 1ns 미만의 매우 짧은 펄스 폭을 필요로 하는 단거리 시스템에서도 GaN은 최적의 솔루션을 제공한다. eGaN FET는 GaN의 매우 높은 성능과 칩 스케일 패키지 기반의 매우 낮은 인덕턴스를 통해 펄스 레이저 드라이버를 위한 이상적인 스위치를 제공한다.

그림 3: GaN은 단거리 및 장거리 라이다 시스템을 지원한다

초고속, 고출력 레이저 드라이버 구현방법

가장 간단하고 가장 일반적인 레이저 드라이버는 그림 4에 나타낸 공진형 용량성 방전 드라이브이다. FET Q₁은 부유 인덕턴스 L₁ 및 레이저 D_L을 통해 공진형 방식으로 C₁을 방전시킨다. 인덕턴스 L₁을 극복하고, 원하는 빠른 전류 상승 시간을 달성하기 위해 C₁은 비교적 높은 전압(일반적으로 25V ~ 150V)으로 충전된다. FET Q₁은 이러한 높은 전압을 견디고, 피크 전류를 전도하여 1ns 이하로 턴온할 수 있어야 한다. eGaN FET는 이러한 요구사항을 충족할 수 있는 현재 이용 가능한 유일한 비용 효율적인 반도체 스위치이다.

그림 4: 간단한 레이저 드라이버와 주요 파형

장거리 라이다를 위한 GaN 솔루션

EPC9126 및 EPC9126HC는 장거리 DToF(Direc ToF) 애플리케이션을 위한 고전류 레이저 드라이버 데모 시스템이다. 이 데모 시스템은 EPC의 전력 변환 애플리케이션에서 권장되는 것과 동일한 기본 최적화 레이아웃 원리를 이용해 인덕턴스를 최소화하도록 설계되었다. EPC9126은 자동차 등급 인증을 획득한 EPC2212를 장착하고 있으며, 레이저에 2ns 미만인 펄스 폭으로 최대 75A의 펄스를 생성할 수 있다. 고전류를 위한 EPC9126HC는 3ns 미만의 펄스 폭으로 최대 150A의 펄스를 생성할 수 있다.

두 드라이버 모두 주요 파형 감지 기능을 내장하고 있으며, 여러 레이저 패키지를 적용할 수 있다. 최고의 성능을 위해 PCB는 낮은 인덕턴스의 표면 실장 오스람(OSRAM) SPL S1L90A_3 A01[6]과 같은 특정 레이저에 최적화할 수 있으며, TI(Texas Instruments)의 LMG1020과 같은 고성능 게이트 드라이브와 함께 사용할 수 있다. 그림 5는 EPC9126HC 데모 시스템과 2.51ns 펄스 폭으로 135A 펄스를 생성하는 애플리케이션의 측정 성능을 보여준다.

그림 5: EPC9126HC 성능

단거리 라이다를 위한 GaN 솔루션

EPC9144 레이저 드라이버 데모 시스템은 IToF(Indirect ToF) 애플리케이션에 최적화되어 있으며, 총 1.2ns의 짧은 펄스 폭과 최대 28A의 전류로 레이저 다이오드를 구동하도록 설계되었다. EPC9144는 TI의 LMG1020 게이트 드라이버로 구동되는 접지 레퍼런스, 자동차 등급 인증을 획득한 EPC2216 eGaN FET를 포함하고 있다. PCB는 전력 루프 인덕턴스를 최소화할 수 있도록 설계되었으며, 레이저 다이오드와 다른 부하를 유연하게 장착할 수 있도록 구현되었다. 또한 전압을 위한 여러 온보드 패시브 프로브를 포함하고 있으며, 입력 및 감지를 위한 MMCX 연결을 갖추고 있다.

또한 이 보드는 나노초 미만으로 동작이 가능한 좁은 펄스 발생기가 포함되어 있으며, 사용자는 저항을 제거하여 간단하게 게이트 드라이브에 직접 공급할 수 있다. 선적 시 이 보드는 3.3V 로직에서 동작하도록 설계되었지만, 1.8V 로직 또는 LVDS(Low Voltage Differential Signaling)와 같은 여러 적용 사례에 사용할 수 있도록 로직 레벨 변환기와 차동 수신기를 모두 장착하고 있다. 그림 6은 EPC9144 데모 시스템과 1.2ns 펄스 폭으로 8.3A 펄스를 생성하는 애플리케이션에서 측정된 성능을 보여준다.

그림 6: EPC9144 성능

자동차 등급 인증을 획득한 부품

EPC는 자동차 라이다 애플리케이션을 위해 AEC-Q101 인증을 획득한 75A 펄스 전류와 정격 80V의 EPC2202와 75A 펄스 전류와 정격 100V의 EPC2212, 17A 펄스 전류와 정격 80V의 EPC2203, 28A 펄스 전류와 정격 15V의 EPC2216을 공급하고 있다. 또한 라이다를 위해 설계된 더 많은 트랜지스터와 IC에 대한 자동차 인증 작업을 진행하고 있다.

결론

GaN 전력 트랜지스터 및 IC의 탁월한 성능[7]은 혁신적인 레이저 드라이버 성능을 지원한다. 몇 제곱 밀리미터에 불과한 크기로 한 자리수 나노초와 높은 전류의 펄스를 생성함으로써 수백 와트의 놀라운 성능을 제공한다. 이는 저렴하면서도 높은 성능의 라이다를 구현할 수 있는 주요 요인 중 하나이다. 따라서 GaN 기술을 사용하면, 높은 정확도가 핵심인 라이다 애플리케이션을 보다 확장시킬 수 있다. 이러한 애플리케이션으로는 자율주행 자동차를 비롯해 안면인식, 웨어하우스 자동화, 드론 및 토폴로지 매핑과 같은 다른 ToF 애플리케이션이 해당된다. GaN-on-Si 전력 기술[8]은 개발 초기 단계에 있지만, 급속한 발전으로 기존 전력 MOSFET과의 성능 격차를 지속적으로 넓혀가고 있다.

참고자료
[1] J. Glaser, “How GaN Power Transistors Drive High-Performance Lidar: Generating ultrafast pulsed power with GaN FETs,” IEEE Power Electronics Magazine, vol. 4, Mar. 2017, pp. 25–35.
[2] P. McManamon, Field Guide to Lidar, SPIE, 2015.
[3] S. Morgott, Range Finding Using Pulse Lasers, Regensberg, Germany: Osram Opto Semiconductors, 2004
[4] S.A. Hovanessian, Radar System Design and Analysis, Norwood: Artech House, Inc, 1984.
[5] M. Andersson and J. Kjörnsberg, Design of Lidar-system, Lund University, 2014.
[6] OSRAM Opto Semiconductors, SPL S1L90A_3 A01 Datasheet, 2018
[7] A. Lidow, M. de Rooij, J. Strydom, D. Reusch, J. Glaser, GaN Transistors for Efficient Power Conversion. Third Edition, Wiley, ISBN 978-1-119-59414-7.
[8] Kevin J. Chen, Oliver Haberlen, Alex Lidow, Chun lin Tsai, Tetsuzo Ueda, Yasuhiro Uemoto, and Yifeng Wu, GaN-on-Si Power Technology: Devices and Applications, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol 64, No. 3, March 2017, p. 791 – 792.

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