O uso de sistemas LiDAR (Light Detection and Ranging) é essencial no campo da automação, que avança rapidamente.
No entanto, esses sistemas enfrentam desafios térmicos significativos que podem prejudicar seu desempenho e confiabilidade. O superaquecimento, causado por lasers de alta potência e fatores ambientais como a carga solar, exige soluções avançadas de gerenciamento térmico. Este artigo explora como o Nitreto de Gálio (GaN), um semicondutor de banda larga, oferece condutividade térmica e eficiência aprimoradas, proporcionando uma solução confiável para melhorar o alcance e a resolução dos sistemas LiDAR. Através da integração da tecnologia GaN, os sistemas LiDAR podem alcançar maior potência de saída, melhorar a relação sinal-ruído e gerenciar eficientemente o calor, abrindo caminho para aplicações autônomas mais precisas e confiáveis.
Desafios térmicos em sistemas LiDAR
Os sistemas LiDAR frequentemente superaquecem devido aos seus lasers de alta potência, que convertem apenas 10% da energia de entrada em saída de laser, com o restante sendo convertido em calor. Esse acúmulo de calor é agravado pela radiação solar quando usados ao ar livre, tornando o gerenciamento térmico um desafio crítico. Abordar esses desafios térmicos é essencial para manter a eficiência e a confiabilidade dos sistemas LiDAR. Fatores chave que contribuem para esses problemas de superaquecimento incluem:
- Temperatura do diodo laser: O calor excessivo reduz o desempenho do diodo laser, causando deslocamentos no comprimento de onda, redução da saída e degradação mais rápida. Mecanismos de resfriamento como TECs (Refrigeração Termoelétrica) ou dissipadores de calor são essenciais para manter as temperaturas ideais.
- Temperatura do detector: Detectores como APDs (Fotodiodos de Avalanche) ou SPADs (Diodos de Avalanche de Fóton Único) sofrem com o ruído térmico, o que reduz a relação sinal-ruído (SNR) e afeta a precisão. Temperaturas estáveis são cruciais para detecção de alto desempenho.
- Temperatura dos componentes ópticos: Mudanças de temperatura afetam lentes, espelhos e divisores de feixe, causando distorção e desalinhamento do feixe. Soluções de resfriamento passivo ou ativo são necessárias para manter os componentes dentro dos limites especificados.
- Temperatura dos componentes eletrônicos: O calor afeta processadores, FPGAs (Field Programmable Gate Array) e ADCs (Conversores Analógico para Digital), degradando o desempenho e colocando em risco a integridade dos componentes. A dissipação efetiva de calor por meio de dissipadores de calor, ar forçado ou refrigeração líquida é necessária.
- Condições térmicas ambientais: Temperaturas extremas e luz solar direta estressam o gerenciamento térmico, colocando em risco o desempenho e a falha do sistema. Um design térmico robusto e proteção ambiental garantem a operação confiável do sistema.
Como o GaN melhora o gerenciamento térmico em sistemas LiDAR
O GaN, um semicondutor de banda larga, oferece uma condutividade térmica superior em comparação com o silício tradicional (Si). Ele é ideal para aplicações de alta potência e alta frequência e para lidar com os desafios térmicos em sistemas LiDAR. Veja como o GaN mantém a temperatura sob controle em três áreas críticas:
- Refrigeração do Diodo Laser: Os Diodos Laser de Alta Potência baseados em GaN aprimoram os sistemas LiDAR, proporcionando detecção de longo alcance e menor produção de calor em comparação com materiais tradicionais. Sua condutividade térmica superior permite uma dissipação eficiente de calor, minimizando a necessidade de sistemas de resfriamento volumosos e permitindo designs mais compactos e leves. Os diodos laser de GaN também podem integrar Refrigeração Termoelétrica (TECs) no mesmo substrato para gerenciamento térmico localizado, garantindo temperaturas operacionais ideais ao melhorar o desempenho na transferência de calor e resfriamento.
- Refrigeração do Detector: Os APDs (Fotodiodos de Avalanche de Baixo Ruído) baseados em GaN oferecem níveis de ruído mais baixos devido à sua ampla banda larga e alta condutividade térmica, melhorando a relação sinal-ruído (SNR) e a precisão de alcance nos sistemas LiDAR. A dissipação eficiente de calor, alcançada por meio de resfriamento integrado ou externo, aprimora o desempenho dos detectores. Assim como os diodos laser, os APDs de GaN podem ser integrados com TECs ou outros mecanismos de resfriamento no mesmo substrato. Isso garante um resfriamento localizado e eficiente, minimiza o ruído térmico e mantém temperaturas operacionais ideais.
- Eletrônica de Potência e Drivers: A eletrônica de potência e os drivers baseados em GaN em sistemas LiDAR operam em densidades de potência e frequências mais altas do que os dispositivos baseados em silício. A alta condutividade térmica do GaN permite uma dissipação de calor mais eficiente, possibilitando designs mais compactos e eficientes. Para um resfriamento passivo eficiente, os dispositivos de GaN podem ser integrados com materiais de alta condutividade térmica, como diamante ou Nitreto de Alumínio (AlN). Essas soluções dissipam eficazmente o calor da eletrônica de potência e dos drivers, reduzindo a necessidade de sistemas de resfriamento ativo volumosos.
Estratégias de gerenciamento térmico com GaN
Várias estratégias para reduzir o aquecimento estão disponíveis para maximizar as vantagens da dissipação de calor do GaN em aplicações LiDAR.
- Sistema em Chip (SoC) baseado em GaN integrado: A integração monolítica de diodos laser, detectores, eletrônica de potência e drivers baseados em GaN em um único SoC possibilita um gerenciamento térmico eficiente com soluções de resfriamento localizadas. Isso minimiza a interferência térmica e simplifica o design térmico geral dos sistemas LiDAR.
- Técnicas avançadas de encapsulamento: A soldagem flip-chip, vias térmicas e substratos de alta condutividade térmica otimizam a dissipação de calor dos componentes de GaN. Essas técnicas facilitam a transferência eficaz de calor para soluções de resfriamento externas, como dissipadores de calor ou sistemas de resfriamento líquido.
- Modelagem e simulação térmica: Ferramentas precisas de modelagem e simulação térmica ajudam a otimizar o design térmico de sistemas LiDAR baseados em GaN, identificando possíveis pontos de aquecimento, otimizando o posicionamento dos componentes e avaliando a eficácia das diversas soluções de resfriamento.
LiDAR com GaN: melhorando a precisão de detecção e imagem
A tecnologia GaN revoluciona os sistemas LiDAR, essenciais para carros autônomos e sensoriamento ambiental, ao oferecer comutação ultrarrápida e pulsos de alta corrente necessários para medições precisas de tempo de voo. Diferente dos transistores de silício tradicionais, os transistores de GaN comutam até 100 vezes mais rápido, suportam correntes mais altas e possuem indutância parasitária quase nula, permitindo pulsos de laser curtos e potentes. Os circuitos integrados avançados de GaN combinam drivers de laser e de gate, eliminando efeitos indesejados de interconexão e atingindo tempos de subida de pulso de apenas 20 picosegundos, com correntes de até 125 A. Esse avanço possibilita imagens de alta resolução e longo alcance, além de técnicas exclusivas de codificação de pulsos para reduzir o ruído do sinal — aspectos essenciais para veículos autônomos e aplicações de alta precisão.
1. Aumento do alcance com diodos laser baseados em GaN:
A tecnologia GaN amplia significativamente o alcance do LiDAR, permitindo maior potência de saída, melhor relação sinal-ruído (SNR) e gerenciamento eficiente de energia. Os principais benefícios incluem:
- Maior capacidade de tensão e corrente: Transistores de GaN suportam níveis mais altos de tensão e corrente, alcançando densidades de potência de até 10 W/mm, contra cerca de 1 W/mm dos dispositivos de silício, possibilitando pulsos de laser mais potentes.
- Melhoria da SNR: A SNR pode aumentar em até 3 dB, dobrando o alcance com a mesma potência de transmissão.
- Alta eficiência: Transistores de GaN operam com eficiência acima de 90%, em comparação com 70–80% do silício, reduzindo perdas de energia e direcionando mais potência para o pulso do laser.
2. Melhorando a resolução com FETs de GaN e transistores de alta mobilidade eletrônica (HEMTs)
A tecnologia GaN melhora a resolução do LiDAR ao viabilizar velocidades de comutação mais rápidas, operação em frequências mais altas e maior estabilidade térmica. Os principais benefícios incluem:
- Velocidades de Comutação Mais Rápidas: Os transistores de GaN podem operar até 200 MHz, em comparação com 50 MHz para o silício. Isso possibilita larguras de pulso de 1 ns e taxas de repetição de pulso mais altas.
- Operação em Frequências Mais Altas: Os dispositivos de GaN funcionam em frequências de até 100 GHz, contra 20–30 GHz dos sistemas tradicionais. Isso aprimora as medições de tempo de voo, resultando em maior resolução espacial e nuvens de pontos mais detalhadas.
- Maior Estabilidade Térmica: Os dispositivos de GaN mantêm o desempenho estável em temperaturas de até 300°C, garantindo resolução consistente e confiável em diversas condições.
Para gerar pulsos de luz no LiDAR, switches semicondutores acionam os lasers. A qualidade desses switches — definida pelo tempo de acionamento, corrente de pico e perdas por comutação — impacta diretamente a resolução da imagem. Os HEMTs de GaN se destacam nesse papel, oferecendo velocidades ultra rápidas e até 65% menores perdas de energia do que os dispositivos tradicionais de silício. Esses transistores estão disponíveis em diversas faixas de tensão e potência para atender aplicações de LiDAR de alta potência. A ROHM Semiconductor, por exemplo, oferece modelos de HEMTs de GaN com tensões de 150 V e 650 V, proporcionando opções robustas para diferentes sistemas LiDAR.
3. Melhorando a precisão do LiDAR com tecnologia mais inteligente:
A combinação do desempenho superior de comutação dos dispositivos de GaN eleva a resolução de distância e o alcance das medições do LiDAR. Ao contrário do silício convencional, o GaN pode acionar lasers com pulsos ultracurtos de 1 ns, viabilizando medições de distância com altíssima precisão. Esse deslocamento de 1 ns equivale a uma diferença de 30 cm, algo que pulsos mais longos não conseguem alcançar. Além disso, tempos de condução de corrente mais curtos geram menos calor, possibilitando correntes mais altas para medições de longa distância.
Automatização de armazéns com LiDAR aprimorado por GaN
A automação de armazéns está transformando a logística ao aumentar a eficiência e reduzir o trabalho manual. Veículos Guiados Automatizados (AGVs) e Robôs Móveis Autônomos (AMRs) são essenciais nessa transformação, contando com LiDAR avançado para navegação, detecção de obstáculos e precisão. A tecnologia GaN eleva significativamente o desempenho do LiDAR nessas aplicações. As principais melhorias com sistemas LiDAR baseados em GaN incluem:
- Maior potência de saída: Os transistores de GaN suportam tensões e correntes mais altas, ampliando o alcance do LiDAR para melhorar a detecção de obstáculos em grandes armazéns.
- Comutação mais rápida: A comutação ultra rápida do GaN permite pulsos de laser mais curtos e frequentes, aprimorando a resolução para identificar objetos menores e capturar detalhes mais precisos.
- Maior frequência: O GaN suporta operações em frequências mais altas, aprimorando a precisão das medições de tempo de voo para mapeamento e navegação mais precisos.
- Melhor gerenciamento térmico: O desempenho térmico superior garante operação estável e confiável, reduzindo o tempo de inatividade e mantendo a eficiência.
- AGVs aprimorados com GaN em operações de armazém: Um grande centro de distribuição de e-commerce implementou sistemas LiDAR baseados em GaN em seus AGVs para aumentar a precisão da navegação e a detecção de obstáculos. O resultado foi uma melhoria de 40% na precisão de navegação e um aumento de 25% na velocidade operacional. O alcance e a resolução aprimorados reduziram as colisões em 30% e elevaram a capacidade de processamento geral em 20%, aumentando significativamente a eficiência do armazém.
- Protegendo sistemas logísticos com segurança funcional: O LiDAR é essencial para a colaboração segura entre humanos e máquinas na logística, atendendo aos padrões de segurança funcional ISO. Para uso externo, os diodos laser devem resistir aos efeitos da luz solar. Os diodos laser alimentados por GaN apresentam baixa dependência da temperatura do comprimento de onda e, combinados com um filtro de corte de luz solar estreito, minimizam o ruído e ampliam o alcance de detecção. Essas soluções de detecção inteligente permitem maior desempenho em AMRs, aumentando a eficiência e a segurança em sistemas logísticos inteligentes.
Conclusão
A tecnologia GaN está revolucionando os sistemas LiDAR ao melhorar a condutividade térmica e a eficiência. Ela aprimora o desempenho, permitindo maior alcance, resolução superior e detecção mais precisa. Essa tecnologia é essencial para aplicações como veículos autônomos e automação de armazéns, aumentando a eficiência operacional e garantindo uma implementação mais segura em aplicações de alta precisão, marcando um avanço significativo nas tecnologias de logística inteligente e veículos autônomos.
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