自动化设备的LiDAR与电源管理解决方案

来源：艾睿电子

近年来，在扫地机器人、无人搬运车（AGV）和自动驾驶汽车等自动化应用中，越来越多设备采用可以准确测量距离和识别空间的LiDAR（激光雷达），此外，电源转换器件也对自动化设备的稳定运行扮演重要的角色。本文将为您介绍LiDAR与电源转换器件的发展，以及由ROHM（罗姆半导体）所推出的激光二极管与电源转换器件解决方案的功能与特性。

AI技术提升LiDAR识别物体的能力

近年来，利用LiDAR测量的点云数据和物体检测算法（YOLO/Faster-RCNN/SSD等）的基于深度学习（卷积网络）的边缘AI技术正在逐年快速发展。3D成像技术与深度学习相结合的创新，也成为人工智能机器人的核心技术。随着LiDAR技术的日渐成熟与成本的逐年降低，目前在许多机器人与汽车应用中，已经开始广泛采用LiDAR来准确测量距离和识别空间中的物体。

采用经过AI与机器学习技术加持的摄像机与LiDAR，其感测效能表现明显优于传统摄像机的电脑视觉技术，算法能自动适应各种照明与天候状况，能够更正确、弹性、稳定进行路况的侦测、追踪与分类，以区别出道路上与周遭的脚踏车骑士、驾驶人、行人。因此，为了能更远、更准确以及功耗更低地检测到信息，对于当作光源的激光二极管性能也出现了更高的要求。



提供更高质量的高输出功率激光二极管

在LiDAR和物体检测技术中，输出高清光束的光源对于实现准确的物体定位、分类和分割至关重要。ROHM激光二极管通过多年来积累的光波导设计和工艺技术，实现高质量的光束形状，可以为人工智能和机器人技术的发展做出贡献，这些技术在未来将需要越来越复杂的操作。

ROHM具备可达成更窄发光幅度的自有专利技术，有助于LiDAR支持更远的距离并确保更高的精度。ROHM的25W高输出功率激光二极管──RLD90QZW5从2019年开始量产，在以消费性电子领域为主的应用中深受好评，导入成效出众。此次，为了将应用扩展到市场逐渐成长的工控设备领域，ROHM研发出了75W高输出功率的激光二极管──RLD90QZW3。

RLD90QZW3采用了905nm、75W、225μm的不可见脉冲激光二极管，实现了窄发光宽度，有助于延长检测距离并提高感应精度。采用ROHM的先进结构，RLD90QZW3的能源转换效率高，而且可以减少波长的温度波动，有助于实现低功耗和长寿命。RLD90QZW3采用行业标准的Φ5.6 CAN封装，适用于激光测距仪、无人搬运车和保全监控等。

RLD90QZW3为一款红外75W高输出功率激光二极管，针对利用3D ToF系统进行测距和空间识别的LiDAR所研发。以ROHM独家组件研发技术，在业界同等级的输出功率激光二极管中，达到了225μm的超窄发光幅度，与290μm的市场竞品相比，发光幅度缩减了22%，因此具有高光束性能，窄发射区域和高光密度，可实现更高的分辨率和更远的范围。

此外，除了在整体发光幅度范围成功使发光强度更均匀外，且激光波长的温度相关性低至0.15nm/℃，不易受温度变化的影响，因此可稳定发挥其性能，与同等输出功率、发光幅度290μm、温度相关性0.25nm/℃的市场竞品相比，激光波长的温度相关性也可降低40%，采用更小波长的带通滤光片可提供更窄的波长范围，从而提高了信噪比，因此可支持LiDAR长距离应用。另一方面，RLD90QZW3的光强度均匀，在整个发射宽度上拥有均匀的光强度，可以提高图像边缘的分辨率。

此外，RLD90QZW3采用专利技术，在同等输出功率的产品中，不仅具备了业界最窄发光幅度，而且在与发光幅度难以兼具的光电转换效率（PCE）方面，也达到了与市场竞品同等的21%（正向电流24A、75W输出时）。因此，在使用时无需担心功耗增加。

为了加快此系列产品的市场导入时程，在ROHM官网上也免费提供可评估导入此系列新产品所需的丰富设计数据，其中包括驱动电路设计方法的应用指南、电路板研发用的数据和仿真用模型（SPICE模型、Ray数据）等。

为了在未来提供解决方案，ROHM正在对LiDAR传感器的参考设计进行原型设计，也开始将其下一代器件GaN HEMT和更高输出功率的120W激光二极管RLD90QZW8商业化，这个参考设计将有助于为客户减少设计工时，并支持快速上市。


ROHM的LiDAR传感器參考設計



功率转换效率提升机器人的运作表现

拥有“世界工厂”之称的中国，在工业生产制造技术上，已经具有相当高的水平，在各产业领域的高水平机床／机器人，也是中国政府针对“中国制造2025”项目所指定的10个领域之一。中国的目标是到2025年完善在中国制造的过程和使用的零部件，使中国成为世界机器人技术的领先者。因此，目前已经有许多机器人公司在中国诞生。

由于人工智能、传感（图像识别）等更高的功能和增强的驱动能力，机器人应用需要更多的电力。因此，要解决的电源转换技术问题越来越大。此外，功率转换效率对于移动机器人来说，也是一个非常重要的因素。

功率转换技术的创新正在推动机器人设计的变革，目前的新型功率器件正在满足机器人应用在尺寸、重量、电源预算以及成本效率的需求，从而将机器人从工厂带入家庭与商业应用，进一步扩大市场的发展空间。



针对工业设备应用的先进电源转换器

为了替工业设备解决电源问题，ROHM推出了工业设备用的DC/DC转换器BD9G500EFJ-LA，该器件支持广泛应用于工业机器人的48V电源，目前24-72V电源是电池供电移动机器人的主流。BD9G500EFJ-LA提供业界领先的最高性能80V高耐压5A大电流，有助于先进工业设备的更高功能和更小尺寸，可使集成多种功能的设备小型化，以及通过结合人工智能和／或物联网，来追求更多功能的工业应用。

BD9G500EFJ-LA可广泛应用于电动自行车、工业机器人、电动工具等需要48V/60V级电源输入的应用，以及需要48V级电源输入的5G基站的服务器、充电站和功率放大器。此外，如吸尘器、洗衣机等家用电器，和其他电机暴露在大浪涌电压下的应用，也会是BD9G500EFJ-LA重要的应用领域。

BD9G500EFJ-LA可增加输出电流、扩大工作温度范围，并可提高输出电压精度，ROHM还提供10年供应保证，符合ROHM的高质量设计标准，也是符合LA等级的产品。

BD9G500EFJ-LA采用高压Bi-CDMOS工艺，在具有高侧MOSFET（异步整流型）的非隔离DC/DC转换器芯片中，实现了同类最佳的80V耐压以及宽的安全工作范围。与具有同等输出电流的标准产品相比，该芯片成功地将耐压提高了约20%，不仅为5G基站和服务器的48V主电源，提供了足够的突发浪涌电压余量，也为常用的60V系统提供了足够的裕度，因此在电动自行车和电动工具中，可采用更大的电池尺寸，从而提高了应用可靠性。

同时，BD9G500EFJ-LA内建低导通电阻，具有高速瞬态响应性能，可轻松设定相位补偿，频率可在100kHz～650kHz之间进行调节。内置的低损耗MOSFET在2A至5A的宽输出电流范围内（尽管有异步整流），实现了85%的高功率转换效率，从而转化为更高的省电性能。ROHM也提供BD9G500EFJ-EVK-001评估板，可供对BD9G500EFJ-LA器件进行评估。

结语

新型的LiDAR与电源转换芯片，具备较高的质量与效能，将有助于提升机器人等工业设备的运作表现，并将机器人应用推广至家庭与商业领域。由ROHM推出的高质量激光二极管具有更高的精度与探测距离，新款电源转换芯片也可以提供更高的功率转换效率，将是机器人与自动化设备的更佳搭档。