맥심의 첨단 라이다 모듈, 자율 고속도로 주행 속도 15km/h 향상

자율주행의 도래는 레이저 이미징 감지 및 거리 측정(LiDAR) 센서의 자동차 전자 플랫폼 내 입지를 결정적으로 확대했다. 라이다는 레이더 원리로 작동하지만 적외선 레이저 다이오드가 방출하는 빛 펄스를 사용한다.

맥심 인터그레이티드(Maxim Integrated)의 새로운 MAX40026 고속 비교기와 MAX40660/MAX40661 고대역 트랜스임피던스 증폭기(TIA)는 동일한 크기의 라이다 모듈에서 대역폭을 2배로 늘리고 32개 채널을 추가(총 128개, 기존 96개)해 고속도로 속도에서 자율 주행 속도를 15km/h 높일 수 있게 한다.

라이다(LiDAR)란?

맥심의 마우리치오 가바르도니(Maurizio Gavardoni)가 4채널 라이다 수신 시스템 평가 보드를 시연하고 있다.
퍼스트 센서(First Sensor)의 광학 포토다이오드와 맥심의 신규 출시 TIA 및 고속 비교기가 포함된다. (이미지: Maxim Integrated)

인공지능, 카메라, 레이더와 함께 센서는 운전자 지원 및 자율주행에 필수적이다. 물체의 정확한 거리 측정과 도로 위 장애물(낙하 나뭇가지, 다른 차량, 갑자기 도로로 뛰어드는 아이 등) 감지 능력으로 라이다 센서는 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS) 채택을 발전시켰으며 자율주행차(AV) 개발에 결정적이다. AV의 주변 환경 인식은 극도로 정밀해야 하므로 실험용 로보카에는 센서가 가득하다. 레이저 조명 시스템 사용으로 자율주행차는 저시야 또는 무가시 조건에서도, 심지어 노면 표시가 없는 상황에서도 운행 가능하다.

"라이다 센서는 물체의 정확한 거리 측정 능력으로 차량 센서 융합에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있다"고 맥심 인터그레이티드의 기술 스태프 수석 멤버 마우리치오 가바르도니는 말했다. "일반적인 라이다 센서는 빛 펄스를 보내고, 물체에 반사되어 포토다이오드에 의해 적절히 감지되면 주변 환경을 매핑할 수 있다."

라이다 시스템은 비행시간(ToF) 기반으로 정밀한 타이밍 이벤트를 측정한다(그림 1). 최신 개발에서는 여러 멀티빔 라이다 시스템이 등장해 차량 주변 환경의 정밀한 3D 이미지를 생성한다. 이 정보는 가장 적절한 주행 기동을 선택하는 데 사용된다.

그림 1: 비행시간 기능 다이어그램 (이미지: Maxim Integrated)

그림 2는 라이다 센서의 기본 레이아웃을 보여준다. 라이다 시스템에는 두 가지 기본 유형이 있다: 마이크로펄스 라이다와 고에너지 라이다. 마이크로펄스 시스템은 끊임없이 증가하는 컴퓨팅 파워와 레이저 기술 발전의 결과로 개발되었다. 이 신규 시스템은 1W 수준의 매우 낮은 전력을 사용하며 대부분 애플리케이션에 완전히 안전하다. 반면 고에너지 라이다는 대기 모니터링 시스템에서 흔히 쓰이며, 높이, 성층, 구름 밀도 같은 대기 파라미터 감지에 사용된다.

그림 2: 주요 전자 부품이 표시된 라이다 센서 일반 레이아웃 (이미지: Maxim Integrated)

"자동차 자율주행 시스템은 35mph에서 65mph 이상으로 진화하고 있지만, 더 빠른 자율주행 시스템이 필수적이다"고 가바르도니는 말했다. "이러한 요구를 충족하는 과제는 [고정밀 물체 거리 측정, 더 많은 정확도, 공간 제약 플랫폼에 더 많은 채널 집적, 엄격한 안전 요구사항 준수]로 이어진다."

라이다 하드웨어

라이다 프로젝트에서 트랜스임피던스 증폭기는 전자 레이아웃의 가장 중요한 부분이다. 저잡음, 고이득, 낮은 그룹 지연, 과부하로부터 빠른 회복으로 새로운 맥심 TIA가 거리 측정 애플리케이션에 이상적이다.

TIA 회로는 전기광학 솔루션의 출력을 버퍼링하고 스케일링해 고속과 높은 다이내믹 레인지를 달성해야 하는 애플리케이션에서 자주 사용된다. TIA는 전류-전압 컨버터로, 거의 전적으로 하나 이상의 연산 증폭기로 구현된다(그림 3).

그림 3: 역편광 포토다이오드를 가진 TIA 일반 레이아웃 (이미지: Wikipedia)

포토트랜지스터와 포토다이오드는 밀접하게 관련되어 입사 레이저 빛을 전기 전류로 변환한다. 이 장치들로부터 최대 성능을 이끌어내기 위해 설계자는 인터페이스 회로, 파장, 광학-기계적 정렬에 특별한 주의를 기울여야 한다. MAX40660/MAX40661 트랜스임피던스 증폭기는 고해상도를 사용해 훨씬 더 빠른 자율주행 시스템을 가능하게 한다. TIA는 저전력 모드에서 전류 소비를 80% 이상 줄인다. 맥심의 TIA는 MAX40660의 경우 490MHz 대역폭으로 128채널을 지원하고 2.1pA/√Hz 노이즈 밀도로 더 높은 측정 정확도를 제공한다(그림 4).

그림 4: MAX40660 블록 다이어그램 (이미지: Maxim Integrated)

한편 MAX40026은 TOF 거리 측정 애플리케이션용 단일 전원 고속 비교기다. 낮고 10피코초의 전파 지연 분산은 고정 및 이동 물체의 정확한 감지에 기여한다. "더 낮은 분산 지연과 시스템당 더 많은 채널은 더 정밀한 타이밍 측정을 가능하게 해 시스템 해상도를 높이고 더 높은 주행 속도를 구현한다"고 가바르도니는 말했다.

MAX40026은 1.5V~VDD+0.1V 입력 공통 모드 범위를 가지며 여러 널리 사용되는 고속 TIA의 출력 스윙과 호환된다. 저전압 차동 신호(LVDS) 출력 단계는 전력 소산을 최소화하고 많은 FPGA와 CPU와 직접 인터페이스한다(그림 5).

그림 5: MAX40026 기능 다이어그램 (이미지: Maxim Integrated)

새 솔루션의 크기가 더욱 축소되어 공간 제약이 있는 차량 플랫폼에 더 많은 채널을 집적할 수 있다. 이 집적 회로는 자동차 업계의 가장 엄격한 안전 요구사항을 충족하며, AEC-Q100 인증, 향상된 정전기 방전(ESD) 성능, 효과 및 진단 분석(FMEDA)으로 시스템 레벨에서 ISO 26262 인증을 지원한다.

>> 이 기사는 원래 자매 사이트 EE Times Europe에 게재되었습니다.