高解像度LiDARアプリケーションを実現する
GaN HEMTのレーザー駆動 リファレンスデザイン

GaN HEMT のレーザー駆動 リファレンスデザイン - White Paper
はじめに
自動車業界では長らく議論されてきているが、自動運転を行うために物体距離を正確に測定し、空間を特定する光検出測距(LiDAR)機能が他分野にも急速に拡大している。例えば、ロボット掃除機や無人搬送車(AGV)では、障害物を検知して避けて通るアルゴリズムを実現するために採用が進み、また LiDAR で得られたデータを活用して、高速道路の交通量を把握して経路回避を促すサービスや、3D マッピングにより地図データを提供するサービスも始まっている。さらに、LiDAR で得られたリアルタイムの点群データを用いて、物体認知や行動推定を行うアルゴリズムの研究が AI(*1)と連携して進んでおり、LiDAR で取得できるデータの重要性が高まるにつれて高精度化のニーズがますます高くなっている。LiDAR 特性のさらなる向上は、自動車市場だけではなく、新しいサービスを生み出すイノベーションにつながると期待されている。
ロームは、電子デバイスの開発を通じて、LiDAR アプリケーションの特性向上や社会課題解決への貢献、新しいサービスを生み出すイノベーションの創出に貢献している。本稿では、LiDAR アプリケーションの特性向上に大きく寄与する、レーザーダイオード、GaN HEMT(EcoGaN™(*2))、GaN 駆動用ゲートドライバについて解説し、それらをソリューションとして提供するリファレンスデザインを公開した事を報告する。

高解像度画像の取得を可能にする、高精度・高出力レーザーダイオード
LiDAR や物体検出には、物体位置検知の正確さ向上、物体検知距離の延伸、物体検知画像の高精細化、物体検知アルゴリズムの正確性向上のために、高精細かつハイパワーのビーム光源が不可欠である。ロームは独自の特許技術で、高精細画像の取得が可能な高出力レーザーダイオードの開発に成功し、既に量産体制を確立している。
75W 製品である「RLD90QZW3」は、レーザーダイオードの発光幅において、競合品の 290µm に対して、22％低減した 225µm の狭発光幅を実現しており、高いビーム性、狭い放射領域、および高い光学密度により、高い解 像度と広 い範囲で検知が可能である。また 、レーザー波長の温度依存性は、競合品の0.25nm/℃に対して、40％低減した 0.15nm/℃であるため、狭波長バンドパスフィルタの使用が可能であり、狭い波長範囲のシステム設計を可能にする。これは、信号対雑音比(S/N 比)を改善し、より遠い距離の物 体 を 正 確 に 測 定 す る事 を 意 味 す る 。 さ ら に 、ロ ー ム 独 自の 技 術に よ り 、 狭 発 光 幅 を 達 成 し な が らPCE(Power-Optical Conversion Efficiency)も業界トップクラスの 21％を誇り、消費電力の増加を抑えている。
表 1: RLD90QZW3 特性比較

*2022 年 9 月 ローム調べ

競合・従来品

ローム製品

品番75W 品RLD90QZW3レーザー発光幅290µm

225µm

22％低減、シャープなビームで発光できる

0.15nm/°C40%低減、温度依存性によレーザー波長温度 0.25nm/°C依存性光変換効率

概要

る S/N 比改善-21%1

業界トップクラス

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図１︓ローム製レーザーダイオード使用時の画像イメージ
ロームは、これらの特性を実現する技術により、LiDAR 用高出力レーザーダイオードのラインアップ（表 2）を増強し、ハイパワー化の市場トレンドをリードしている。なお、よりハイパワーな 120W「RLD90QZW8」のサンプル提供も開始しており、パッケージ形態だけではなく、ユーザー自らが多素子封入モジュールの開発にも適用できるチップ形態での供給も行うことで、特徴的な LiDAR システムの設計をサポートしている。
表２︓高出力レーザーダイオードのラインアップ*最新のラインアップと供給状況は、担当営業まで問い合わせください

品番

波長

光出力

If (max)

発光エリア(幅 x 長さ)

パッケージ

RLD90QZW8

905nm

120W

38A

270µm x 10µm

RLD90QZW375W

27A

225µm x 10µm

RLD90QZWD

35W

12A

100µm x 10µm

φ5.6mm CAN（TO-56）
ベアチップ供給可

RLD90QZWC

25W

9A

70µm x 10µm

RLD90QZWB

25W

9A

50µm x 10µm

RLD90QZWJ

25W

9A

50µm x 10µm

RLD90QZWA

15W

5A

35µm x 10µm

高速スイッチングを実現する、GaN HEMT (EcoGaN™)と GaN 駆動用ゲートドライバ
SiC デバイス(*3)とともに注目されているワイドバンドギャップ半導体の一つである GaN デバイスは、従来のSi 半導体と比較して、単位面積当たりのオン抵抗を大幅に削減できる。また、同じオン抵抗製品において、チップサイズを小さくでき、スイッチング損失も大幅に低減できる(Si 半導体に比較して約 65％減)。SiC デバイス
は、より高耐圧・大電力対応に向けて進化を続ける一方で、GaN デバイスはより高周波駆動へ進化しており、使い分けが進んでいる。LiDAR アプリケーションにおいては、狭パルス信号によって、より高精細な画像を得られ2GaN HEMT のレーザー駆動 リファレンスデザイン - White Paperるシステムを構築するために、高周波駆動できる GaN デバイスの適用が最適であり、市場導入が始まっている。
ロームでは、既に GaN デバイスの量産体制を確立している。この GaN デバイスは、ゲート-ソース間耐圧を8V まで確保しており、競合製品と比較して、駆動回路スイッチング時のオーバーシュート破壊に対するマージンを約 30％向上しているため、回路設計が容易である。さらに、高放熱の面実装パッケージを採用しており、基板実装しやすい製品となっている。パッケージングの懸念となる寄生インダクタンスは従来パッケージ比で 55％低減する構造を採用しており、特性の劣化を抑えている。
表３︓GaN HEMT(EcoGaN™)のラインアップ(150V 耐圧品)
*最新のラインアップと供給状況は、担当営業に問い合わせください。

品番

VDSS
[V]

VGSS
[V]

ID
[A]

RDS(on)
[mΩ]

Qg
[nC]

パッケージ

GNE1040TB

150810402.0

GNE1015TB15154.9DFN5060
5mm x 6mm x 1.0mm

GNE1008TB

308.57.0

図２︓GaN HEMT 製品のパッケージ(DFN5060)
高速駆動可能な GaN HEMT の特性を最大限引き出すには、駆動するゲートドライバも高速でなければならない。ロームでは、GaN HEMT 駆動用に 1ch 高速ゲートドライバ IC「BD2311NVX-LB」の量産を開始 し て い る 。 BD2311NVX-LB は 、 最 小 パ ル ス 幅 1.25ns 、 タ ー ン オ ン 時 間 (Tr)/ タ ー ン オ フ 時 間(tf)=0.65ns/0.70ns(CL=200pF 時)と高速駆動が可能であり、GaN HEMT 駆動に最適である。
EcoGaN™と同様、面実装パッケージ採用により、基板実装しやすい製品となっている。

図３︓GaN HEMT 用ゲートドライバ「BD2311NVX-LB」回路図例
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この GaN HEMT と GaN HEMT 用ゲートドライバによるソリューションは、LiDAR 向けレーザーダイオード駆動の他に、GaN デバイスの特長を活かした高周波動作の DC-DC コンバータなどにも適用できる。

LiDAR 向けレーザーダイオード駆動のリファレンスデザイン
前章で、レーザーダイオード、GaN HEMT(EcoGaN™)、GaN 駆動用ゲートドライバについてそれぞれの特徴を述べたが、加えてロームは、レーザーダイオード駆動においてキーとなるそれぞれのデバイスを組み合わせたリファレンスデザインを開発し、設計情報を公開している。(LiDAR 向け高出力レーザーダイオード高速駆動
EcoGaN™ 及び高速 Gate Driver リファレンスデザイン)
表 4︓LiDAR 向け高出力レーザーダイオード、高速駆動 EcoGaN™及び高速ゲートドライバ搭載
リファレンスデザイン「REFLD002」
リファレンスデザイン名

REFLD002-1

REFLD002-2

ボード名

S WAVE B-01

R WAVE B-01

回路方式

矩形波型回路

共振型回路

レーザーダイオードRLD90QZW8RLD90QZW3GaN HEMT

GNE1040TB

GNE1040TB

ゲートドライバ

BD2311NVX-LB / -C

BD2311NVX-LB / -C

主な搭載デバイス
ブロック図

ボード写真

4

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一般的に、LiDAR 用レーザーダイオードを駆動するには、高速でオン/オフできる GaN HEMT が使用され、矩形波型回路あるいは共振型回路で構成される。矩形波型回路は、電源に接続されたレーザーダイオードに対して、直列接続された半導体スイッチ素子をオン/オフするが、その立ち上がり/立下り時間は、半導体スイッチ素子のスイッチング速度や、回路に形成されるループインダクタンスによって制限される。一方、共振型回路は、高周波駆動回路として一般的だが、回路定数の設計には高周波の知見が必要となる。ロームでは、両回路のリファレンスデザインを開発している。これらの基板設計及び基本動作評価をロームで実施し、デザインデータ(回路図、PCB のガーバー、BOM)や評価データを公開しているため、ユーザーの責で自由に設計参照・設計転用を行うことができる。また、Web 上の無償シミュレータである ROHM Solution Simulator(*4)上にシミュレーション回路を公開しているため、両回路方式のシミュレーションを手軽に実行できる。回路定数を変更した際の波形変化もすぐに確認できるため、初期の設計検討に活用できる。
ロームでは、これらリファレンスデザインの設計データだけではなく、製品単体のアプリケーションノートやシミュレーションモデル(SPICE モデル、Ray データ)、PCB ライブラリデータも Web 公開しており、ユーザーは、リファレンスデザインの流用、リファレンスデザイン回路シミュレーションの活用、製品データの活用で、設計工数や評価工数の大幅削減を実現し、セットの市場導入プロセスを迅速化する事ができる。

図４︓LiDAR 向けレーザーダイオード駆動リファレンスデザイン「REFLD002」

まとめ
ロームは、今後ますます増加する LiDAR アプリケーション導入に対して、LiDAR 特性を向上するためにキーパーツとなる、レーザーダイオード、GaN HEMT(EcoGaN™)、GaN 駆動用ゲートドライバをソリューションとして提供している。また、設計参照となるリファレンスデザインも公開しており、ユーザーのセット市場導入プロセス迅速化と素早い市場導入に貢献することができる。これらを通じてロームの製品が社会課題の解決や、新しいサービスにつながるイノベーションの創出に貢献していきたい。

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語句説明、参考資料(*1) AI : 人工知能（じんこう ちのう、英: artificial intelligence）(*2) EcoGaN™ : GaN の持つ低いオン抵抗と高速スイッチング性能を最大限生かすことで、アプリケーションの低消費電力化と周辺部品の小型化、設計工数と部品点数の削減を同時に目指した省エネ・小型化に貢献するロームの GaN デバイス。
EcoGaN™はローム株式会社の商標または登録商標です。
(*3) SiC デバイス︓ワイドギャップ半導体のシリコンカーバイド(*4) ROHM Solution Simulator : ロームが Web で提供する、無償のシミュレーションツール
アプリケーションノート︓半導体レーザー アプリケーションノート
高解像度 LiDAR アプリケーションを実現する高出力・マルチチャネルレーザーダイオード

参考ホームページ
アプリケーション
LiDAR
ロボット掃除機
無人搬送機（AGV）関連ニュース
LiDAR 用 75W 高出力レーザーダイオード「RLD90QZW3」を開発
業界最高 8V ゲート耐圧の 150V GaN HEMT 量産体制を確立
製品
高出力レーザーダイオード
GaN HEMTGaN Gate Driver
LiDAR 向け ハイパワー レーザーダイオード高速駆動 EcoGaN™ 及び高速 Gate Driver リファレンスデザイン
シミュレーション回路（ROHM Solution Simulator）*ROHM Solution Simulator へのアクセスは MY ROHM 登録が必要です。
矩形波型回路共振波回路

執筆
2022 年 9 月 Rev.001

小宮 邦裕、中小原 佑輔

2023 年８月 Rev.002

小宮 邦裕、中小原 佑輔

6本資料に記載されている内容は、ロームグループ（以下「ローム」という）製品のご紹介を目的としています。ローム製品のご使用にあたりましては、別途最新のデータシートもしくは仕様書を必ずご確認ください。ロームは、本資料に記載された情報に誤りがないことを保証するものではありません。万が一、本資料に記載された情報の誤りによりお客様または第三者に損害が生じた場合においても、ロームは一切その責任を負いません。本資料に記載された応用回路例などの情報及び諸データは、あくまでも一例を示すものであり、これらに関する第三者の知的財産権及びその他の権利について権利侵害がないことを保証するものではありません。ロームは、本資料に記載された情報及び諸データについて、ロームもしくは第三者が所有または管理している知的財産権その他の権利の実施、使用または利用を、明示的にも黙示的にも、お客様に許諾するものではありません。ローム製品及び本資料に記載の技術を輸出または国外へ提供する際には、「外国為替及び外国貿易法」、「米国輸出管理規則」など適用される輸出関連法令を遵守し、それらの定めにしたがって必要な手続きを行ってください。本資料の全部または一部をロームの文書による事前の承諾を得ることなく転載または複製することを固くお断り致します。本資料の記載内容は2023年8月現在のものであり、予告なく変更することがあります。

www.rohm.co.jp

製品に関する詳しい情報はローム公式Webサイトをご覧下さい

Catalog No.65WP003J Rev.002© 2023 ROHM Co., Ltd.

R2043A