深入解析先进的深度传感解决方案

深入解析先进的深度传感解决方案

当今市场上许多应用都要求具有深度传感的精确测量能力，包括工业、消费和汽车领域，产品种类包括自动导引车 (AGV)、扫地机器人、无人机、自动驾驶汽车等，极具市场发展潜力。本文将为您介绍深度传感技术的原理，以及由艾睿电子推出的LiDAR（激光雷达）参考设计，以及该方案中采用的ROHM、安森美 (onsemi)、NXP、ADI、Murata等关键器件的产品特性。

拥有各自优缺点的深度传感技术

想要进行深度传感应用，当前已经有许多不同的深度传感方法，包括使用标准CMOS图像传感器的方法进行立体三角测量、相位检测像素和结构光等方式。

使用立体三角测量方式来测量距离，是通过对来自两个不同摄像机的接收光进行三角测量来获得的，经过比较摄像机拍摄的图像之间物体位置的差异，可以计算出摄像机到物体之间的距离。采用立体三角测量方式具有被动方法、采用标准图像传感器的优点，但也有需要使用2个摄像机、最大距离取决于摄像机之间的距离，并高度依赖光照条件，以及需要计算的成本等缺点。

相位检测像素方式是使用单个摄像机来获取场景中点的距离，图像传感器在像素级别下，通过在不同位置具有遮光罩的像素对所接收到的光的相位差，或通过使用同一微透镜下的多个光电二极管来计算深度，像是iPhone相机的自动对焦，便是采用此技术。相位检测像素方式具有采用被动方法与标准图像传感器的优点，但也有深度分辨率差、高度依赖光照条件、需要计算的成本、短距离等缺点。

结构光则是使用具有传统CMOS图像传感器的摄像机，来分析接收到的红外光图案，并用场景中的失真来计算深度，图案的失真可用于获取物体的3D形状。结构光具有适合短距离的优点，但也有必须采用主动方法、对环境光敏感、深度误差将随距离增加、不适合长距离等缺点，适合应用于人脸识别。

LiDAR拥有较高的深度传感能力

由于LiDAR拥有高深度和角分辨率，使其具有优于替代方法的较高深度传感能力，并且由于其使用红外光发射器和接收器的主动方法，因此能够在所有光照条件下运行。LiDAR已经广泛部署在许多不同的市场，用于各种应用和用例，包括汽车、工业、机器人以及消费型增强现实和虚拟现实 (AR/VR) 等应用。

通常，LiDAR会采用直接飞行时间 (dToF) 测量技术，它计算发射信号与其返回回波之间的时间延迟，另一种方法是间接飞行时间 (iToF)，这两种方法都可以使用脉冲或连续调制来实行。

用于脉冲ToF系统的LiDAR解决方案

为了加快客户产品的开发速度，艾睿电子的Openlab推出脉冲dToF LiDAR解决方案的参考设计。艾睿电子的LiDAR ToF解决方案针对范围／距离测量，因此采用脉冲ToF系统，LiDAR ToF系统的信号处理部分采用时间数字转换器 (TDC) 或模数转换器 (ADC) 距离估算方法，基于TDC的方法使用高精度时钟器件将开始／停止事件计数为时间差，而基于ADC的方法定期测量和数字化返回信号，然后估计时间差。

此LiDAR ToF系统的距离分辨率与模拟部件 (激光二极管、激光驱动器、低噪声放大器和光电探测器) 的组合上升时间和响应时间成反比。基于TDC的方法可以解决模拟域的分辨率问题，而基于ADC的方法可以通过一些复杂的数字返回信号检测方案，以及复杂的基带系统和软件来解决一些问题。

艾睿电子的LiDAR ToF解决方案选择基于TDC的方法，更多地关注模拟硬件设计，以实现更好的上升时间和响应行为，从而在艾睿电子的LiDAR解决方案中实现最佳距离检测应用。

使用脉冲式ToF系统时，会使用905nm的波长，因为905nm系统 (红外线) 更适合可达75W的最大光功率。相反地，650nm激光 (可见红光) 一般无法实现上电脉冲操作，最大光功率约100mW。

窄脉冲操作可扩大操作范围

在艾睿电子LiDAR ToF解决方案的硬件设计中，采用了ROHM的方案来实现模拟域LiDAR性能最优的方法。为了缩短激光触发脉冲，艾睿电子的LiDAR ToF解决方案中使用了ROHM RLD90QZW3脉冲激光二极管，它可以支持窄脉冲操作，脉冲宽度为15纳秒，而传统LiDAR解决方案中常用的脉冲宽度为30纳秒。通过将脉冲宽度减小50%，可以在相同的工作条件下提供更高的光功率，从而扩大了工作范围。

通过使用这种短脉冲宽度，艾睿电子的LiDAR ToF解决方案支持多脉冲操作，可以提高测量精度，并通过对多次测量进行平均或统计分析，来消除环境噪声和干扰。该解决方案还在激光二极管中使用GaN FET以实现更快的切换，从而进一步提高传输延迟效率。采用GaN FET晶体管用于替代传统的MOSFET晶体管，可提供快10倍的开关行为，从而缩短激光传输路径的上升时间。

该解决方案还加强了PCB布局，以进一步减少激光驱动器部分的延迟时间。PCB布局在激光传输路径的开关行为中起着重要作用，尤其是在此类多电源系统中，必须提供25V给激光二极管和GaN FET，提供5V给激光栅极驱动器，并提供3.3V给MCU系统，用于LD触发脉冲的生成。此外，GND板的设计对于通过使用最佳信号返回路径，进行快速切换和优化传输延迟也至关重要。

此外，该方案还采用安森美的硅光电倍增管 (SiPM) RD系列替代传统的雪崩光电二极管 (APD)，进一步提升Rx响应时间。SiPM中的FAST OUT端子可提供小于500皮秒的上升时间响应，比APD标准输出端子低50%。

在Tx和Rx路径检测器系统中，可以使用更快的比较器进一步改善Rx响应时间。比较器电路用于将模拟的Rx和Tx信号，转换成TDC脉冲开始和脉冲停止输入以进行时序计算，因此比较器的传播延迟对影响测量精度也相当关键。使用ADI的ADPCM600快速比较器，在30mV输入信号电平下，延迟时间仅为3纳秒，从而在LiDAR接收路径中提供最佳延迟时间。

行业领先的器件组成完整的解决方案

艾睿电子整个LiDAR ToF解决方案的关键组件包括作为75W 905nm不可见光脉冲激光二极管的ROHM RLD90QZW3激光二极管、安森美的SiPM MicroRD-10035-MLP RD系列，以及ADI ADCMP600高速比较器是一个极快的TTL/CMOS比较器，传播延迟为5.5纳秒，ADI HMC589AST89E高速放大器则是一个InGaP HBT增益模块MMIC放大器 (DC-4GHz)。

此外，还有ADI LT8330宽输入电压DC/DC升压转换器，可支持3V至40V输入电压，1A和60V开关升压转换器，以及ADI LT3082 200mA低噪声低压差稳压器 (LDO)，NXP LPC546XX系列 32位ARM Contex-M4微控制器，以及TI TDC7201 TDC和Murata WMRAG32K76CS1C00R0 32.768 kHz MEMS谐振器，用于需要额外处理能力或机器学习的开发。

ROHM的激光二极管RLD90QZW3，是一款专为LiDAR所设计的75W红外高光输出激光二极管，用于AGV等应用3D ToF系统中的距离测量和空间识别服务。ROHM利用自有的器件开发技术，在等效光输出下实现了前所未有的225μm发射宽度，这比传统产品窄22%，改善了光束特性。

同时，均匀的发射强度和激光波长的低温度依赖性，确保了性能的稳定性，将有助于在各种LiDAR应用中实现更高的精度和更远的距离。此外，具有与标准产品 (24A正向电流和75W输出) 相同的21%的功率转换效率 (与较窄的发射宽度进行权衡)，可以在不增加功耗的情况下使用。

ROHM也推出可用于激光二极管控制的参考设计，包括能够高速驱动的下一代器件EcoGANTM、GaN栅极驱动器BD2311NVX-C，以及有助于改善LiDAR传感器特性 (距离和分辨率) 的GaN HEMT高速栅极驱动器。

安森美的SiPM是一种高增益、单光子敏感传感器，用于检测可见光到近红外波长。安森美推出的RB系列传感器是R系列中第二个版本的SiPM。这些传感器在电磁波谱的红色和近红外 (NIR) 区域进一步提高了灵敏度。

安森美目前还推出了新的SiPM阵列系列，ArrayRDM−0112A20−QFN是基于市场领先的RDM工艺的单片1 × 12 SiPM像素阵列。RDM工艺专门开发用于创建在905/940nm NIR波长下实现高PDE (光子检测效率) 的产品，这些产品通常用于LiDAR和3D dToF测距应用。

安森美的SiPM阵列采用坚固的QFN封装，可以访问12个独立像素。为了满足汽车LiDAR应用的要求，该产品符合AEC-Q102标准。

NXP的LPC546xx Arm Cortes M4 MCU系列则用于LiDAR系统，提供高达220 MHz的性能，支持以太网、一个TFT LCD控制器和两个CAN FD模块，同时通过Cortex-M4在功能集成和功率效率之间取得适当的平衡，以实现100 µA/MHz的主动模式电流。

对于需要更高级计算或机器学习的开发，NXP还提供了新的MCX N系列，其双Arm Cortex-M33内核运行频率高达150 MHz。这个高级系列介绍了NXP设计的神经处理单元 (NPU) 的新实例。与单独的CPU内核相比，集成的NPU可提供高达30倍的机器学习 (ML) 吞吐量，从而减少清醒时间并降低整体功耗。低功耗缓存增强了系统性能，双组闪存和完整的ECC RAM可支持系统安全，提供了额外的保护和保证层。

速度非常快的ADCMP600、ADCMP601和ADCMP602则是采用ADI专有工艺XFCB2制造的比较器。该器件在3 mA典型电源电流下提供5 ns传播延迟和10 mV过驱动。它非常适合用于时间关键型应用，例如TOF测量和LiDAR应用。

ADI的LT8330是一款电流模式DC/DC转换器，能够使用单个反馈引脚产生正或负输出电压。它可以配置为升压、SEPIC或反相转换器，静态电流消耗低至6µA。低纹波突发模式操作可在极低输出电流的情况下保持高效率，同时在典型应用中，将输出纹波保持在15mV以下。

由Murata推出的车载片状多层陶瓷电容器，是汽车动力系统和安全装置的理想选择。该产品可用于安全装置，例如发动机ECU、安全气囊和ABS的驱动系统控制。即使在温度循环和湿度负载测试中，该产品也通过了比一般产品 (GRM系列) 更严格的测试条件。该陶瓷电容器可在125℃和150℃温度下使用，并还提供可用于发动机室的150℃产品系列，此外，该陶瓷电容器还采用了外电极镀锡，具有优良的可焊性。

结语

随着深度传感的应用领域越来越广，LiDAR也逐渐降到可接受的价格范围，使得相关产品的市场发展空间逐渐扩大。由艾睿电子推出的LiDAR ToF解决方案，采用了来自ROHM、安森美、NXP、ADI、Murata等行业领先的器件，使其拥有绝佳的性能表现，值得有兴趣投入相关产品开发的厂家深入了解与采用。

编辑：黄飞