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話說車載 : 影像感測、測距反應、高功率半導體

本文作者: 任苙萍       點擊: 2019-07-16 10:00
前言:
成像系統之影像感測
繼 5G 釋照後,電動車將是下個眾所矚目的產業變革,2020 年有不少品牌商都將推出新車款問市,對於智能化與聯網化的需求也隨之升高,以實現感知、決策、控制的自動駕駛境界。 汽車成像系統涵蓋:攝影機、成像雷達 (Imaging Radar) 和光達 (LiDAR),而負責將光訊號轉換成類比電訊號的影像感測器 (Image Sensor) 是其核心元件,主要有 CCD 與 CMOS 兩種;其中,CMOS 因半導體製程成本較低漸成主流。
 

 
在影像感測器後端加上協同處理器 (Coprocessor),即能將類比影像轉換成數位訊號,同時對偏差的畫質進行光學校正,關鍵參數包括:量子效率、雜訊、增益、轉換解析度與黑電平校正等,且與聚焦時的電動控制息息相關。此外,LED 頻閃也會破壞影像畫質。LED 乃是利用脈寬調變 (PWM) 達成調光目的,但目前 LED 頻閃並無標準,故交通號誌、車燈、乃至路旁招牌霓虹燈等閃爍光源,容易被大頻寬的攝影裝置攝入閃動或光暈。 若解析度夠高,會導致畫面閃爍;若解析度太低,則會充斥光暈,等同一直讓感測器不停重覆曝光。
 
所以,如何降低 LED 頻閃對感測器的干擾十分重要。再者,當汽車成為聯網設備的一員,內建資安保全功能將日受重視。
光源場景變化,考驗汽車視覺&測距反應
飛時測距 (ToF) 除了應用在手機臉部解鎖,也廣泛用於車載 3D 投影和手勢辨識:前者是在已知空間內 (車體內部) 發出光線並透過偵測來創造空間的 3D 投影圖,後者可控制車載設備或基於安全理由監控乘客;而光達 (LiDAR) 則用於偵測移動中和靜止物體,以紅外線脈衝波反射、掃描出物體輪廓,再經由已知光速計算脈衝光束從發射到接收的飛行時間,進而換算出物體的相對距離和速度。 
 

 
汽車是移動載具,影像感測必須能在各種光源下工作、以動態因應場景改變。單光子雪崩光電二極體 (SPAD) 具有體積小、成本低、速度快及操作容易等優點,且元件本身具有相當大的增益能力,可實現單光子感測靈敏度;另矽光電倍增器 (SiPM) 是精準且先進的微光探測器,特別適用於單光子探測和最低光能水平的測量。雙效合一,即使身處光線不足的環境,汽車視覺仍可維持「目光如炬」。
 
寬能隙半導體入主高功率應用
動力系統是電動車/智能車主命脈。絕緣柵雙極電晶體 (IGBT)、高電壓閘極驅動器、超接面整流器、高電壓金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET)、高電壓 DC-DC,以及碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等新一代寬能隙 (WBG) 功率技術深深牽動著電池續航力與安全防護。
 

 
當電子從「價帶」(valence band,指絕對零度中電子最高能量的區域) 移動到「傳導帶」(conduction band,電子經由外在電場加速形成電流) 並用於電流時需要能量,寬能隙的能量遠高於矽——相較於矽的 1.1eV (電子伏特),SiC 需要 3.2 eV;意味著在相同尺寸下,這些額外能量可帶來更高的電壓擊穿性能,在失效前可承受更高的溫度,蕭特基二極體 (SBD)、高功率 MOSFET 是主要市場。
 
為提高能效,亦促成涵蓋驅動電路和控制單元,以定制集成電路執行供電欠壓、過溫和短路等自我保護功能的智慧功率模組 (IPM) 興起,以適應基本結構或設計變化,並提升系統可靠性。此外,先進的基板和封裝,則是高能效、散熱性、強固性等關鍵因素;例如,貼片式「電晶體外殼無引腳封裝」(Transistor Outline Leadless, TOLL;或簡稱為 TO-Lead-Less) 因散熱表現較佳,可藉此提高電流密度,特別適合動力轉向、無刷直流驅動、電池管理、電池安全開關等高功率應用。

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