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激光雷达芯片方案浅析

来源:
2023-05-16
类别:汽车电子
eye 1
文章创建人 拍明

  激光雷达被认为是汽车市场自动驾驶车辆开发和运行的关键部件。该技术是光检测和测距的简称,它使用激光计算物体的距离,这些激光的光脉冲会生成这些物体的3D信息。

  

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  ▲图1、激光雷达与其他感知技术的优劣对比

  激光雷达将采集到的3D物体信息回传给汽车,经过信息处理和自动决策,得以实现避开道路上的障碍物、行人、其他车辆,并对汽车的环境产生总体感知。同时,激光雷达技术正不断被应用在许多其他的案例中,如内部的3D映射,增强现实,无人机,物流,关键基础设施等。传统车载激光雷达产品,从结构上看,通常分为激光器、扫描部件、感光芯片三个模块。而在纯固态激光雷达领域,主要有Flash和OPA两条技术路线。比如,Ibeo选择Flash方案做纯固态中长距激光雷达,Quanergy开发了基于光学相控阵(OPA)技术的纯固态CMOS激光雷达。

  

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  ▲图2、激光雷达主要技术优劣对比那么激光雷达常用的芯片类型有哪些?今天我们通过5款激光雷达的拆解去一探究竟。

  1️⃣Velodyne的Lidar Puck VLP-16Velodyne在2016年发售的激光雷达Lidar Puck VLP-16定价是3,800美元,根据TechInsights的拆解分析,该产品总成本约为247.48美元。接下来我们来看看具体的拆解分析。

  

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  ▲图3、Velodyne的Lidar Puck VLP-16传感器具有360度视角,并由两个英特尔FPGA处理器提供动力。资料来源:TechInsights

  Velodyne的Lidar Puck VLP-16激光雷达可用于测绘、机器人、安防、智慧城市等领域。这款激光雷达具有16个通道,测量范围为100米,测距精度可达3厘米,芯片方案摘要如下:

  主控芯片:英特尔/阿尔特拉的Cyclone III处理器,型号:EP3C16U256C7N;

  存储芯片:芯成的32MB SDRAM,型号:IS42S16160G-7BLI;

  内存芯片:美光的128 MB的内存,型号:PC28F00AP30BF;

  传感器:霍尔效应传感器、光学编码器、温度传感器

  下图是Lidar Puck VLP-16主板正面。

  

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  ▲图4、主板上的芯片来自英特尔、微芯、亚德诺和德州仪器。资料来源:Tech Insights

  在主板的正面,有几颗德州仪器(TI)的模拟芯片,型号:SN74LVC1G04、SN74AUC04、ADC08500、SN65LVD2DBV;还有亚德诺(ADI)的放大器,ADC驱动器和开关多路复用器,型号:AD8515、ADA4950、AD8182、AD8033AKSZ;2颗微芯(Microchip)的稳压器,型号:MIC525YBM;以及英特尔/阿尔特拉的Cyclone III现场可编程门阵列(FPGA)处理器,型号:EP3C16U256C7N。德州仪器(TI)的温度传感器也是Puck激光雷达主板的功能之一。主板的背面装有英特尔提供的8 MB闪存和英飞凌的双MOSFET驱动器,以及来自德州仪器、微芯和亚德诺的其他组件。值得一提的是,英特尔在Puck激光雷达的总体设计上取得了Design Win,包括两颗Cyclone III FPGA和8 MB闪存在内的三颗主要芯片实现Design in。

  

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  ▲图5、电源板芯片有FPGA,闪存和传感器等。资料来源:Tech Insights

  在激光雷达电源板的正面,装着第二颗英特尔/阿尔特拉的Cyclone III FPGA,型号:EP3C25F324I7N;美光的并行128MB NOR闪存,型号:PC28F00AP30BF;ISSI的32MB SDRAM,型号:IS42S16160G-7BLI;意法半导体的调节器;微芯的ADC和MOSFET驱动器;博通的双通道光耦,型号:HCPL-0730;埃戈罗的霍尔效应传感器;普思的网络变压器,型号:HX0068ANL。电源板的背面包含亚德诺/凌力尔特的降压转换器;德州仪器的以太网收发器和温度传感器;以及博通的光学编码器。

  2️⃣LeddarTech的LeddarVu8LeddarTech并非是要提供激光雷达,而是要提供固态激光雷达的关键元件之一,信号处理集成电路。不过为了推广其集成电路,LeddarTech推出了一系列固态激光雷达的套件,不带MEMS镜的套件价格不到600美元。

  

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  ▲图6、LeddarVu8的核心器件

  上图为LeddarTech固态激光雷达示意图,激光发射阵列发射多组激光,PIN型光电二极管接收激光反射回来的光波,类似于CCD或CMOS图像传感器的原理,最终得到一张3D图像,图像中的物体与雷达的精确距离可以通过简单的计算得知,同时可以根据激光反射强度值,轻松识别出常见物体,如行人、道路、混凝土建筑、路灯、草地。

  

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  ▲图7、LeddarVu8的光学组件

  也可以用MEMS镜偏转来使激光束对物体进行扫描。

  

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  ▲图8、LeddarVu8的激光束

  LeddarVu8激光雷达基本参数如下:

  

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  ▲图9、LeddarVu8的基本参数

  首选是发射部分的光学镜头

  

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  ▲图10、LeddarVu8的光学镜头激光发射镜头部分采用准直透镜和衍射透镜结合的方式。反射式和透射式准直镜被用在光束传递系统中,以维持激光谐振腔和聚焦光学元件之间的光束的准直性。反射式准直镜一般使用的是铜制全反镜,而透射式准直镜则使用硒化锌透镜。衍射光栅透镜基板上光刻上不同厚度的衍射层,通过衍射关系,将不同波长或强度的光成像在不同位置,从而实现分光作用。其作用就像一个光子路由器,将光子们组合成各式各样的形状。当激光束穿过激光衍射板的微观结构时,光子将被激光衍射板上面的各种形状重新进行定向。类似于旋转型激光雷达的多线扫描。衍射光栅它的基底是低膨胀系数的玻璃或熔石英﹐上面镀铝﹐然后把平行线刻在铝膜上。衍射光栅的精度要求极高﹐很难制造。一般用在天文仪器上。发射部分的激光二极管是埃赛力达(Excelitas)供应,埃赛力达是全球最大的民用激光二极管公司之一,年收入大约7亿美元,总部位于美国马萨褚塞。激光二极管型号为TPGEW1S09H,属于225微米系列。

  

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  ▲图11、激光二极管

  埃赛力达采用金属密封内包装和塑料胶囊外包装设计,相对于工业用激光器来说价格低了很多,适合大量生产的产品。

  

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  ▲图12、激光二极管的基本参数

  TPGEW1S09H采用GaAs外延片,采用InGaAs激发层。采用905纳米红外激光。再下来是接收部分。

  

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  ▲图13、光学接收部分

  接收部分主要是接收镜头和光电二极管阵列。接收镜头貌似就是一般的聚焦玻璃镜头。光电二极管阵列是日本滨松的S7509。

  

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  ▲图14、光电二极管阵列

  S7509的参数如下:

  

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  ▲图15、光电二极管的基本参数

  S7509采用芯片式封装,可以用回流焊或者SMT贴片,很适合大规模量产。暗电流比较小,信噪比较高。滨松也有线性APD阵列和单光子阵列产品。电路部分分母板、发射板和接收板。

  

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  ▲图16、电路组成

  发射板上有一片德州仪器的D类功率放大器,型号:TPA2016D2,该芯片一般用于音频放大,推动扬声器这种电流型负载,可能是用来放大电流供电给激光二极管,是个比较奇怪的设计。接收板上有三颗主芯片,包括莱迪思(Lattice)的一款PLD,你也可以叫它FPGA,型号为LCMOX3LF-2100E-6MG121C;爱特梅尔(Atmel)的32位300MHz主控MCU,型号:ATSAMS70N20-CFN;美信(Maxim)的高增益线性前置放大器,型号:MAX3806。

  

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  ▲图17、FPGA芯片

  通过上图可以得知这款FPGA属于MachXO3系列,采用Flash配置内存,逻辑运算大约为2112个,最快型,121脚csfBGA封装,商业级产品。

  

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  ▲图18、FPGA芯片内部框架图

  上图为LCMOX3LF-2100E-6MG121C的内部框架图,与一般的FPGA最大不同是其内置PLL锁相环电路。PLL(Phase Locked Loop):为锁相回路或锁相环,用来统一整合时脉讯号,使高频器件正常工作,如内存的存取资料等。PLL用于振荡器中的反馈技术。许多电子设备要正常工作,通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步。一般的晶振由于工艺与成本原因,做不到很高的频率,而在需要高频应用时,有相应的器件VCO,实现转成高频,但并不稳定,故利用锁相环路就可以实现稳定且高频的时脉冲讯号。对脉冲型激光雷达来说,高精度时钟是保证雷达检测距离精度的关键。Leddar Tech目前还没有推出ASIC,只能先用FPGA代替。接收板上有片Atmel的Flash MCU,型号为ATSAMS70N20-CFN,这是一片内置1024Kbyte Flash和384 Multi Port SRAM的MCU,采用100脚LQFP封装,内置ARM Cortex M7内核,M7是ARM M系列性能最强一款。下图为ATSAMS70N20-CFN的内部框架图。

  

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  ▲图19、MCU内部框架图

  接收板上还有八颗美信的MAX3806,MAX3806是光学距离测量器,内置一个60K或30K的开关阻抗,还有一个衰减器和前置放大器。8颗代表8个接收通道。MAX3806、MAX4311和MAX1446一起配合使用,MAX4311是MUX/AMP,MAX1446是一个10比特全差分模拟输入ADC,比特率60Mbps,内置精密参考电压,32脚TQFP封装,主要用于超声图像生成和CCD图像生成。Flash固态激光雷达可以看做一个图像传感器。下图为应用实例。

  

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  ▲图20、MAX3806应用实例

  母板上主要为供电部分,核心芯片是一颗村田的LKDC55KAAA-205,这是一片非隔离式DC/DC转换器,可以输出3A电流。主要供应发射部分。经过拆解可以看出PIN型固态激光雷达除镜头外都有标准的量产元件可以选择,门槛很低,成本也不高,未来可以取代传统的低像素摄像头,但和摄像头比,激光雷达可以全天候工作,白天黑夜都能胜任。可以想象,未来会有N多固态激光雷达公司。性能更好的线性APD和单光子激光雷达具备更高的分辨率,有可能进一步挤压摄像头的生存空间。

  3️⃣Ouster OS1-64Ouster OS1-64在2020年1月发布的64线激光雷达,售价高达12,000美元。这款激光雷达拆解是由Electronics360做的,让我们对这款产品有了大概的了解。这里面主要分好几块板子,里面的主要芯片也做了一些梳理,还有一个成本结构。

  

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  ▲图21、OusterOS-64的拆解和SPEC情况

  Ouster OS1激光雷达传感器的主板上的芯片有:

  AMD/赛灵思的XC7Z020,一款SOC芯片,集成了双核ARM Cortex-A9处理器和可编程逻辑单元;

  美信(Maxim)的12位模数转换器和限幅放大器;

  美满(Marvell)的千兆以太网收发器;

  美光(Micron)的8GB MLC NAND闪存、内存控制器和DDR3L SDRAM内存;

  德州仪器(TI)的DDR终端稳压器和可调节的slap-down转换器;

  亚德诺(ADI)的射频功率检测器;

  Macronix的16MB串行NOR闪存。

  

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  ▲图22、Ouster OS1主板

  内部的转动子板还用作Ouster OS1内部的控制单元,其中包含赛灵思(Xilinx)的 Artiz-7现场可编程门阵列(FPGA)、微芯(Microchip)的MEMS振荡器、安世(Nexperia)的双电源转换收发器、美信(Maxim)的12位ADC和德州仪器(TI)的电流芯片。

  

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  ▲图23、Ouster OS1内部转子板

  电机板包含内存和其他芯片,用于车辆和lidar的通信。德州仪器(TI)的补偿器、电流分流芯片和功率MOSFET;安森美(Onsemi)的MOSFET驱动器;微芯(Microchip)的2KB串行EEPROM存储器。

  

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  ▲图24、Ouster OS1电机板

  从拆解来看,我们看到的主要芯片的成本如下:

  13.43美元—赛灵思(Xilinx)的Artiz-7 FPGA(数量:1);

  10.93美元—安装底座(数量:1);

  10.46美元—小型有源VCSEL阵列(数量:1);

  10.13美元—赛灵思(Xilinx)的双核ARM Cortex-A0和可编程逻辑SoC(数量:1);

  7.53美元—Pettier模块(数量:1);

  7.23美元—SPAD阵列(数量:1);

  6.51美元—镜头#3(数量:2);

  6.47美元—镜头#2(数量:2);

  6.43美元—美光的DDR3L SDRAM内存 512MB(数量:2);

  6.29美元—底部外壳(数量:1)。

  以上部分器件合计总成本104.8美元。Ouster OS1-64的对外售价12000美元。

  4️⃣速腾聚创RS-Helios速腾聚创RS-Helios激光雷达定价为6,389美元,折合人民币近4万元,并不便宜哈。RS-Helios主板上的芯片有:

  AMD/赛灵思的ZYNQ,双核Arm Cortex-A0中的主处理器和可编程逻辑芯片;

  美光的512MB SDRAM内存;

  德州仪器(TI)的DDR终端稳压器、LDO稳压器、半桥栅极驱动器、降压电源块和功率MOSFET;

  博通(Broadcom)的汽车以太网收发器;

  华邦(Winbond)的串行闪存;

  美台(Diodes)的ESD保护;

  美信(Maxim)的Step-down DC-DC转换器。

  这块主板几乎都是美国的芯片,图片的清晰度能看到布局,但是还不清楚标号。

  

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  ▲图25、RS-Helios的主板

  RS-Helios数字适配器板上的芯片有:

  意法半导体(ST)的32位ARM Cortex-M3微控制器,可用作激光雷达的连接和电源管理;

  安森美(ONsemi)的稳压器;

  美台(Diodes)的功率MOSFET;

  博通(Broadcom)的以太网收发器。

  备注:这个电源的连接器,可能还有改进的空间。

  

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  ▲图26、数字适配器板

  最后是一块辅助板上的芯片有:

  赛灵思(Xilinx)的Spartan-7汽车 FPGA,用于控制激光雷达传感器内部的传感器、连接和电源管理;

  亚德诺(ADI)的VCO;

  德州仪器(TI)的LDO、差分放大器、step-down转换器和温度传感器;

  亚德诺/美信(ADI/Maxim)的DC-DC转换器;

  美台(Diodes)的ESD保护;

  瑞萨/艾迪悌(RENESAS/IDT)的时钟缓冲器;

  恩智浦(NXP)的双USB 2.0开关;

  威世(VISHAY)的功率MOSFET。

  

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  ▲图27、辅助板

  最后一张是整体概览图。

  

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  ▲图28、整体拆解概览

  从单纯的电路成本分析来看,这里做了一些初步的分解:

  Manufacturing cost breakdown $47.72;

  Integrated circuits $158.69 ;

  Models, discretes and connectors $6.65 ;

  Substrates $12.53;

  Component insertion $2.85 ;

  Card test $28.07 ;

  Other subsystems $115.11 ;

  Non-electronic parts $4.52 ;

  Final assembly and test。

  以上部分器件合计总成本376.14美元,不包括光学部分的组件。速腾聚创RS-Helios激光雷达定价为6,389美元。

  5️⃣法雷奥Scala Lidar Gen2

  下图能让我们看到法雷奥Scala Lidar Gen2的主要部件,主要包括主板、功率板、转换板,外壳,安装支架还有光学部件。备注:光学部分其实不便宜,这个成本评估没有充分反映进去

  

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  ▲图29、法雷奥Scala Lidar Gen2整体拆解概览

  这是主要的部件和成本预估,我参考的这家拆解公司对于电子芯片的部分估计比较准,光学和其他部分可能就有点偏颇了。从单纯的电路成本分析来看,这里做了一些初步的分解:

  FPGA芯片,赛灵思,$52.73;

  转换板,$19.66;

  安装框架,$19.33;

  存储芯片,美光,$16.22;

  光电组件,滨松,$11.92;

  塑料和热组件,$11.08;

  定制镜片Rx Lens,$9.99;

  外壳及结构件,$5.96;

  电源线,$5.92。

  从两代产品的差异来看,在电路板设计、可制造性、光电部件和壳体设计中,Valeo Scala Lidar Gen2都有一些改进。

  

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  ▲图30、 激光雷达主要的部件和成本预估

  从技术路线来看,这款激光雷达的用途和作用还是属于打辅助的。也确实是由于激光雷达的技术路线迭代的分化有点严重,太多企业使得整体的竞争环境有点恶劣。

  

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  ▲图31、两代激光雷达对比

  激光雷达的功率板包含用于为激光雷达供电的电子元件,包括:

  亚德诺/美信(ADI/Maxim)的升压DC-DC控制器;

  威世/硅尼克斯(VISHAY/SILICONIX)的N沟道功率MOSFET;

  英飞凌(INFINEON)的单通道智能高边电源开关;

  德州仪器(TI)的可调并联稳压器。

  

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  ▲图32、Scalar Lidar Gen2的功率板

  转换板包括通信子系统和电子元件,用于与外部ECU通信。电子元器件包括:

  恩智浦(NXP)的16位MCU;

  博通(BROADCOM)的汽车以太网收发器和LIN收发器。

  

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  ▲图33、Scalar Lidar Gen2的转换板

  激光雷达的主板上的芯片有:

  AMD/赛灵思的Zynq UltraScale+片上系统;

  美光(MICRON)的2GB多芯片SDRAM内存模块;

  德州仪器(TI)的10位四通道DAC 1.25电压基准和升压DC-DC转换器;

  亚德诺/美信(ADI/Maxim)的电源管理和6A降压DC-DC转换器;

  恩智浦(NXP)的车规级32位MCU;

  英飞凌/赛普拉斯(INFINEON/CYPRESS)的32MB NOR闪存;

  博通(BROADCOM)的汽车以太网收发器。

  

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  ▲图34、Scalar Lidar Gen2的主板法雷奥2020年发布的这款Scalar Lidar Gen2,905nm EEL搭配飞行脉冲时间及硅基传感器,有效降低了组件成本,售价900美元。电子元器件主要部件可评估的成本约170美金。

  

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  ▲图35、法雷奥激光雷达的总结

  从以上拆解来看,我们看到激光雷达里常见的芯片品牌有英特尔/阿尔特拉、AMD/赛灵思、莱迪思、恩智浦、微芯、微芯/爱特梅尔、美光、芯成、Macronix、华邦、亚德诺、亚德诺/美信、亚德诺/凌力尔特、德州仪器、安森美、英飞凌、博通、美满、意法半导体、美台、威世、瑞萨/艾迪悌、滨松、埃赛力达、村田、安世等。

  

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  ▲图36、激光雷达产业链激光雷达的工程设计,无非是激光源、光学部件、光电探测器、信号处理芯片的选型,再行研发设计成整机产品,核心技术体现在对光电信号的有效处理,技术难度不小。国产芯片的市占率还很低,差距巨大。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平台,过去数年已积累了丰富的优势货源。我们聚焦服务元器件长尾客户群,让每一家芯片原厂或分销商的每一款芯片,在Design In、Design Win和流通中更高效,帮助工程师的方案选型、试样及采购,为电子产业供需略尽绵薄之力。

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责任编辑:David

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