מאת אחסן זמאן, מנהל השיווק, Silanna

כאשר בוני מדי טווח מבוססי לייזר (Rangefinders) קיימים שלושה מרכיבים קריטיים המשפיעים על מאפייני המערכת: גודל, חיי סוללה ודיוק. דוגמה טובה לכך היא מדדי טווח עבור מגרשי גולף. מערכות אלה צריכות לספק מידע מדויק על המרחק אל דגל הגומה ואל עצמים נוספים המשמשים נקודות ייחוס, דוגמת עצים, יתדות סימון וכדומה, העשויים להימצא במרחק של כמה מאות מטרים. בנוסף למדידת המרחק עצמו, מכשירים מתקדמים כוללים גם מסך להצגת מידע על שיפועי המסלול ומכשולים, תקשורת אלחוטית מובנית לקבלת עדכונים, מערך GPS ומגוון חיישנים למדידת תנאי הסביבה, כגון רוח, לחץ אטמוספרי, טמפרטורה ולחות.

למרות ריבוי החיישנים, המעבדים והצגים, המכשיר צריך לפעול לאורך מספר סבבי משחק באמצעות סוללה אחת או בטעינה אחת בלבד. אומנם אפשר להשתמש בסוללות גדולות יותר, אולם גם הגודל והמשקל מוגבלים מכיוון שהמשתמשים או (נושאי תיקי הגולף שלהם) צריכים לשאת את המכשירים לאורך כל המסלול. וכאן טמונה הבעיה: דרייבר הלייזר המשמש את מד הטווח פועל בנצילות נמוכה במיוחד. ואכן, חיי הסוללה מוזכרים שוב ושוב כאחד ממקורות התסכול הנפוצים ביותר בשימוש במדי טווח. נצילות נמוכה זו גם מחייבת רשימת רכיבים (BOM) נרחבת, הכוללת גופי קירור להתמודדות עם בעיות החום.

הנצילות הנמוכה של דרייברי לייזר מסורתיים

מקור צריכת האנרגיה המופרזת הוא בתכנון הבסיסי של דרייברי לייזר המבוססים על רכיבים בדידים. כדי למדוד מרחק במדויק, הלייזר במד הטווח צריך לפלוט דופק אור. דפקים אלה קצרים מאוד, 20-50 ננושניות, אולם צריכים להיות בעלי הספק אופטי של יותר מ-100 ואט. בשיטה המסורתית משתמשים בממיר מעלה מתח המבוסס על רכיבים בדידים, אשר ממיר את מתח הסוללה הנמוך (בדרך כלל 3.3 וולט) למתח של יותר מ-50 וולט לצורך טעינת קבל. לאחר מכן פורקים את הקבל במהירות דרך הלייזר באמצעות מתג MOSFET.

איור: ארכיטקטורות מסורתיות מחייבות מספר דרגות של העלאת מתח, המייצרות הפסדי האנרגיה מצטברים.

הפעולה הזו מחייבת שימוש במספר דרגות העלאת מתח. גם אם כל דרגה בפני עצמה פועלת בנצילות גבוהה, ההפסדים מצטברים: תהליך דו-שלבי המשתמש בממירים בעלי נצילות של 90% מניב נצילות כוללת של 81%. לכך מצטרפת הנצילות הנמוכה של המעגלים הנדרשים לבידוד רכיבי המתח הגבוה. בחלק מהתכנונים אובדים עד 50% מהאנרגיה בתהליך ההעברה הזה. בנוסף, אנרגיה רבה מתבזבזת כחום בכמה שלבים, בעיקר במהלך מיתוג ה-MOSFET, בשל ההתנגדות הפנימית של הקבל ולאורך המוליכים במעגל המודפס (PCB). ניהול תרמי יעיל נדרש כדי למקסם את הביצועים ואת אורך החיים של דיודת הלייזר ושל רכיבים אלקטרוניים רגישים אחרים. אולם הוספת גופי קירור מגדילה את ממדי המערכת, את משקלה ואת עלותה.

ארכיטקטורה בעלת נצילות גבוהה יותר

במקום להסתמך על אוסף רכיבים בדידים המייצרים את הפסדי האנרגיה האלה, אפשר לשלב בשבב משולב יחיד את מייצב המתח מסוג מעלה מתח (Boost), את הדרייבר המהיר לטרנזיסטור GaN FET ואת הלוגיקה החיונית לבקרה. רמת שילוב גבוהה מסוג זה מאפשרת לדרייבר לעקוף את תהליך העברת האנרגיה בעל הנצילות הנמוכה המאפיין שימוש ברכיבים בדידים. הגישה הזו גם מאפשרת ללוגיקה שעל השבב לנהל ישירות את טעינת מעגל הלייזר ואת הפעלתו, וכך לספק שליטה מדויקת בדפקים – בין שמדובר בלייזר VCSEL או בלייזר (EEL).

כתוצאה מכך, הארכיטקטורה מאפשרת להגדיל את הספק השיא האופטי. בעוד שמד טווח צרכני רגיל פועל בדרך כלל בהספק של 5-40 ואט, תכנון מסוג כזה זה יכול לספק יותר מ־150 ואט בדפקים שהם קצרים מ-50 ננושניות, ובכך לשפר את אמינות המדידה ולהגדיל את טווח המדידה האפקטיבי.

הספק שיא גבוה יוצר אות מוחזר חזק יותר, החיוני למדידת מרחק אל מטרות רחוקות או בעלות החזריות נמוכה, כגון מוט דגל על רקע שורת עצים. התוצאה היא טווח אפקטיבי גדול יותר ומדידות עקביות יותר בתנאים מאתגרים. גם השיפור בנצילות ניכר: נצילות הטעינה הכוללת מגיעה לכ-85%. הדבר מאריך את חיי הסוללה, ומכיוון שהמערכת מייצרת הרבה פחות חום עודף, הוא מייתר את הצורך בגופי קירור גדולים. התוצאה המשולבת היא מכשיר קומפקטי, בעל דיוק משופר וטווח פעולה ארוך ואמין יותר.

סיכום

המעבר מרכיבים בדידים לדרייבר משולב בשבב יחיד הוא גורם מכריע בהתגברות על מגבלות הנצילות והגודל של מערכות לייזר ניידות. בין שמדובר במד-טווח במגזרשי גולף, בכוונות ציד מדויקות או במדי-מרחק מקצועיים מבוססי לייזר, השינוי בארכיטקטורה  מתורגם ישירות לחיי סוללה ארוכים יותר, לתכנונים קומפקטיים יותר ולמדידות אמינות יותר.

למידע נוסף:  silannasemi.com/lidar-firepower