iTOF-Treiber: Präzision für die dritte Dimension

Ob Gesichtserkennung im Smartphone, Gestensteuerung im Fahrzeuginnenraum oder autonome Navigation von Servicerobotern – all diese Anwendungen brauchen eine verlässliche Tiefenwahrnehmung in Echtzeit. Den Kern solcher iToF-Kamerasysteme bildet eine oft unterschätzte Komponente: der Laserdiodentreiber, der den VCSEL mit nanosekundengenauen Stromimpulsen versorgt und damit über Messgenauigkeit, Effizienz und Systemsicherheit mitentscheidet. Dieser Artikel erklärt das Funktionsprinzip indirekter Time-of-Flight-Systeme, stellt mit dem ET75016 und dem ET75116 zwei aktuelle Treiber-ICs von ETEK Microelectronics im Detail vor und zeigt auf, welche weiteren Bauelemente für ein vollständiges iToF-Design nötig sind – inklusive einer Übersicht, wie TOPAS electronic AG Entwicklerteams dabei mit einem abgestimmten Portfolio unterstützt.

Wer heute eine 3D-Kamera, ein Gesichtserkennungssystem oder einen Gestensensor entwickelt, kommt an einer Schlüsselkomponente kaum vorbei: dem iTOF-Driver, dem Laser- bzw. LED-Treiber für indirekte Time-of-Flight-Systeme. Für Elektronikentwickler lohnt sich ein genauerer Blick auf Funktionsprinzip, technische Anforderungen und typische Einsatzfelder dieser hochspezialisierten IC-Klasse.

Time-of-Flight-Sensorik misst Entfernungen über die Laufzeit von Licht. Dabei unterscheidet man zwei Prinzipien: Beim direkten ToF-Verfahren (dToF) wird die Zeit zwischen dem Aussenden eines einzelnen Lichtpulses und dem Empfang seiner Reflexion direkt gestoppt. Beim indirekten ToF-Verfahren (iToF) hingegen sendet die Lichtquelle Bursts mit mehreren Pulsen bei hoher Modulationsfrequenz im MHz-Bereich aus; gemessen wird die Phasenverschiebung zwischen ausgesendetem und reflektiertem, empfangenem Signal. Aus dieser Phasenverschiebung lässt sich pro Pixel eine präzise Tiefeninformation berechnen – das Ergebnis ist eine vollständige 3D-Tiefenkarte der Szene, nicht nur ein einzelner Distanzwert.

^{Die Grafik zeigt den Kernunterschied auf einen Blick: Bei dToF wird die reine Laufzeit Δt zwischen gesendetem und empfangenem Einzelpuls gestoppt und direkt in eine Distanz umgerechnet. Bei iToF wird stattdessen ein moduliertes Signal ausgesendet, dessen reflektierte, gedämpfte und verzögerte Version eine Phasenverschiebung Δφ gegenüber dem Original aufweist – aus dieser Phasenverschiebung, nicht aus einer direkten Zeitmessung, wird die Distanz berechnet.}

Der iTOF-Driver ist die Leistungselektronik, die den VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder alternativ eine LED mit den für das Phasenmessverfahren nötigen extrem schnellen und exakt definierten Stromimpulsen versorgt. Weil die Genauigkeit der Distanzmessung direkt von der Flankensteilheit und Wiederholpräzision dieser Impulse abhängt, unterscheiden sich iTOF-Treiber deutlich von gewöhnlichen LED-Treibern.

Typische Kenngrößen aktueller Bauteile zeigen die Anforderungen: Laserströme bis 12 A bei Laserspannungen bis 6 V für Unterstützung von Dual- und Triple-Junction-VCSELs, Anstiegs- und Abfallzeiten unter 0,8 ns sowie ein niedriger Einschaltwiderstand unter 60 mΩ für eine iToF-Beleuchtungseffizienz von über 35 Prozent sind bei konsumernahen Bauteilen keine Seltenheit. Automotive-taugliche Varianten liegen bei Laserströmen bis 10 A, Laserspannungen bis 14 V, Anstiegs- und Abfallzeiten unter 1 ns und Modulationsfrequenzen bis 130 MHz. Angesteuert werden die Bausteine üblicherweise über LVDS-Schnittstellen, die eine störsichere, schnelle Kommunikation mit dem vorgelagerten iToF-Bildsensor bzw. Timing-Controller ermöglichen.

Ein wichtiger Aspekt für den Schaltungsentwurf: Bei der Auswahl zwischen diskretem Aufbau und integriertem Treiber-IC ergeben sich unterschiedliche Vorteile. Diskrete Lösungen mit GaN-FETs bieten mehr Flexibilität bei Peak-Strömen, Pulsformen und Anstiegszeiten und profitieren vom niedrigeren RDSon gegenüber Silizium-Bauteilen, was höhere Stromspitzen und damit eine höhere Effizienz der Beleuchtungseinheit ermöglicht. Integrierte Treiber-ICs punkten dagegen mit kompakter Bauform, eingebauten Schutzfunktionen (Unterspannungs-, Übertemperatur- und LVDS-Signalüberwachung) und geringerem Entwicklungsaufwand – ein klassischer Trade-off zwischen Designfreiheit und Time-to-Market.

Ein Sicherheitshinweis gehört ebenfalls in jedes Pflichtenheft: Reine Laser-Treiber-ICs liefern in der Regel keine eigenständige Lasersicherheitsfunktion. Für die Einhaltung der Laserklassen- und Sicherheitsanforderungen ist der Systementwickler verantwortlich und muss entsprechende Schutzmechanismen im Gesamtdesign vorsehen.

iTOF-Driver finden sich überall dort, wo kompakte, kostengünstige 3D-Erfassung gefragt ist. Im Consumer-Bereich sind das vor allem Smartphones für Gesichtserkennung und Autofokus-Unterstützung, AR/VR-Headsets für Raumerfassung und Gestensteuerung, Saugroboter und andere autonome Haushaltsgeräte zur Navigation sowie Smart-Home- und Sicherheitskameras. In der Robotik dienen iToF-Systeme der Objekterkennung und Kollisionsvermeidung.

Im Automobilbereich hat sich In-Cabin-Sensorik als eigenständiges, schnell wachsendes Feld etabliert: Gestensteuerung, Insassenerkennung und -klassifizierung, Fahrerüberwachungssysteme (DMS) sowie sichere Gesichtsauthentifizierung setzen auf automotive-qualifizierte iTOF-Treiber, typischerweise nach AEC-Q100 Grade 2 zertifiziert. Darüber hinaus kommen verwandte Treiberarchitekturen auch in Laser-Distanzmessgeräten (LDS) und LiDAR-Systemen zum Einsatz, die zwar meist mit dToF arbeiten, aber ähnliche Anforderungen an Treibergeschwindigkeit und Strombelastbarkeit stellen.

Für Entwickler, die ein iToF-basiertes Produkt konzipieren, ist die Wahl des passenden Treiber-ICs damit keine Nebensache, sondern beeinflusst direkt Messgenauigkeit, Reichweite, Energieeffizienz und letztlich die Freigabefähigkeit des Gesamtsystems.
 

ETEK Microelectronics bietet mit dem ET75016 und dem neueren ET75116 zwei kompakte Laserdiodentreiber speziell für indirekte Time-of-Flight-Systeme an. Beide Bausteine teilen sich Grundarchitektur und Package, unterscheiden sich aber in zwei entscheidenden Punkten – ein Blick lohnt sich für alle, die gerade ein iToF-Kameramodul auslegen.

Funktionsprinzip

Beide ICs arbeiten nach demselben Muster: Über eine LVDS-Eingangsstufe (DATA/XDATA) empfängt der Treiber die hochfrequenten Taktimpulse vom vorgelagerten iToF-Bildsensor und wandelt sie in präzise Stromimpulse für den VCSEL um – wahlweise für Anoden-common- oder Floating-Laser-Topologien, mit bis zu 3,0 A Treiberstrom. Kernstück ist eine integrierte Auto Power Control (APC): Nach dem Einschalten (Signal APC_GATE = High) lässt der Baustein den Laser für rund 100 µs vier definierte Leistungsstufen (L1/H1/L2/H2) durchlaufen, misst dabei über eine Photodiode den tatsächlichen optischen Output und berechnet daraus per linearer Kurvenanpassung die optimalen Bias- und Schaltströme (IBIAS, ISW). Das gleicht Temperaturdrift und Alterungseffekte des Lasers automatisch aus – ohne dass der Systementwickler manuell nachjustieren muss. Alternativ lässt sich der Baustein im ACC-Modus mit fest programmierten Strömen betreiben.

^{Das Diagramm zeigt den kompletten typischen Regelkreis: Der iToF-Sensor gibt das Taktsignal per LVDS an den Treiber-IC weiter, der daraus präzise Stromimpulse für den VCSEL erzeugt. Das ausgesendete Licht trifft auf ein Objekt und wird reflektiert; ein Teil davon erfasst die Photodiode, die als Rückkopplung die Auto-Power-Control-Regelung im Treiber-IC speist – genau der Mechanismus, der Temperaturdrift und Laseralterung automatisch ausgleicht.}

^{[1] ISW (Switch Current):  (Bias-/Vorstrom) hält die Laserdiode knapp an der Laserschwelle für minimale Schaltverzögerungen;  (Schalt-/Modulationsstrom) erzeugt den eigentlichen Pulsstrom (beim ET75016 bis zu 3,0 A Peak), den der interne Treiber-FET schaltet, um die Laserdiode mit der gewünschten Modulationsfrequenz anzusteuern.   Current Full Scale legt den programmierbaren Endwert (100 % DAC) des Modulationsstroms fest, um die Auflösung an die verwendete Diode anzupassen.}

Beide Bausteine sind für dieselbe Zielanwendung ausgelegt: kompakte ToF-Kameramodule, wie sie in Smartphones, AR/VR-Headsets, Servicerobotern und Smart-Home-/Sicherheitskameras für Gesichtserkennung, Gestensteuerung und räumliche Erfassung verbaut werden. Der ET75016 eignet sich dabei für klassische Designs mit 1,8-V-Logikdomäne, bei denen reine Tiefenmessung im Vordergrund steht. Der ET75116 spielt seine Stärken dort aus, wo entweder eine 1,2-V-Logikanbindung gefordert ist oder wo Platz- und Kostenvorteile durch die Zusammenlegung von Tiefenmessung und Annäherungserkennung in einer Baugruppe gewünscht sind – etwa bei besonders kompakten Smartphone- oder Wearable-Kameramodulen mit engem Powerbudget.

Im Wettbewerbsumfeld der Laserdiodentreiber für iToF-Anwendungen positionieren sich die ETEK-Bausteine vor allem über den Funktionsumfang, der direkt auf dem Chip integriert ist, statt in externer Beschaltung oder Firmware nachgebildet werden zu müssen. Während viele vergleichbare Treiber-ICs primär auf hohe Peak-Ströme und minimale Schaltzeiten optimiert sind, legt ETEK zusätzlichen Wert auf eine vollständig geschlossene Regelschleife: Die photodiodenbasierte Auto Power Control kalibriert Bias- und Schaltstrom automatisch gegen Temperaturdrift und Laseralterung, ohne dass der Systementwickler eigene Kalibrierroutinen im Host-Controller implementieren muss. Hinzu kommt ein ungewöhnlich dichtes Diagnosepaket – Überstrom-, Diffusor- und APC-Fehlererkennung sind einzeln per SPI konfigurierbar und auslesbar, was die Einbindung in funktionale Sicherheitskonzepte erleichtert, ohne zusätzliche externe Überwachungsbausteine zu benötigen. Das winzige WLCSP25-Gehäuse (rund 2,3 × 2,1 mm) ermöglicht zudem eine Miniaturisierung des Kameramoduls, die mit größer bauenden Treiber-Packages kaum zu erreichen ist. Und mit Funktionen wie der dualen 1,2-V-/1,8-V-Logikkompatibilität und dem integrierten PMS-Modus, der Tiefenmessung und Annäherungserkennung über denselben VCSEL abdeckt, reduziert ETEK gezielt Bauteilanzahl und Systemkomplexität – ein Ansatz, der besonders in kostensensitiven Consumer- und Wearable-Designs punktet, in denen jeder Quadratmillimeter Platinenfläche zählt.

Für die Auto-Power-Control-Schleife wird zusätzlich eine Photodiode zur optischen Rückkopplung benötigt, ergänzt durch einen NTC-Thermistor für die externe Temperaturkompensation am AUX-Eingang – beides klassische, aber leicht zu übersehende Nebenposten im Stückzahlengeschäft. Auf der Versorgungsseite braucht das Modul stabile, rauscharme Spannungsschienen: LDOs oder kleine DC/DC-Wandler für die 3,3-V-, 1,8-V- bzw. 1,2-V-Domänen sind ebenso gefragt wie ESD-Schutzbeschaltung (TVS-Dioden) an den exponierten LVDS- und SPI-Leitungen, low-ESL-Kondensatoren für den Rückstrompfad des Treibers sowie Abschlusswiderstände für die LVDS-Leitungspaare, die laut Applikationshinweisen für eine saubere Signalintegrität entscheidend sind. Nicht zuletzt rundet passendes Zubehör wie optische Diffusoren beziehungsweise Beam-Shaping-Optik, geeignete Steckverbinder oder Flexleitungen für die Kameramodul-Anbindung sowie – je nach Systemarchitektur – ein Timing-Controller oder SoC zur Tiefenbildverarbeitung das Gesamtpaket ab. 

Für die im vorherigen Abschnitt beschriebenen Zusatzkomponenten führt TOPAS electronic AG ein breites, aufeinander abgestimmtes Portfolio: Für die Spannungsversorgung der 3,3-V-, 1,8-V- bzw. 1,2-V-Domänen stehen LDOs und kompakte DC/DC-Wandler aus dem Power-Management-Programm von ETEK sowie von Nisshinbo, Silergy und Kinetic zur Verfügung – je nach Anforderung an Effizienz, Bauraum und Rauschverhalten der jeweiligen Domäne. 

Photodioden findet man bei Nisshinbo. 

Für den ESD-Schutz der exponierten LVDS- und SPI-Leitungen bietet TOPAS TVS-Dioden von Silergy und ETEK an. 

Wer die Tiefenbildverarbeitung nicht auf einem eigenen SoC-Design realisieren möchte, findet zudem mit den System-on-Modules von Digi eine einsatzbereite Rechenplattform für die Anbindung und Weiterverarbeitung der iToF-Sensordaten. 

Damit deckt TOPAS electronic AG die zentralen Bausteine rund um ein iToF-Kameramodul – von der Laseransteuerung über die Spannungsversorgung und den Leitungsschutz bis zur Verarbeitungsplattform – aus einem einzigen Beschaffungskanal ab.

Der Blick auf ET75016 und ET75116 zeigt: Ein leistungsfähiges iToF-System entsteht nicht durch die isolierte Wahl eines Laserdiodentreibers, sondern durch das Zusammenspiel exakt aufeinander abgestimmter Komponenten – vom VCSEL über den Bildsensor und die Auto-Power-Control-Beschaltung bis hin zu Spannungsversorgung, ESD-Schutz und gegebenenfalls einer Verarbeitungsplattform. Gerade bei den engen Toleranzen in Anstiegszeit, Modulationsfrequenz und thermischer Stabilität, die iToF-Anwendungen abverlangen, entscheidet die Qualität der Gesamtarchitektur über Messgenauigkeit, Zuverlässigkeit und letztlich über die Freigabefähigkeit des fertigen Produkts. Mit Bausteinen wie dem ET75016 und dem ET75116 stehen dafür zwei ausgereifte, funktional dicht integrierte Treiber-ICs zur Verfügung, die sich je nach Logikspannung und gewünschtem Funktionsumfang – mit oder ohne integrierten Proximity-Modus – flexibel in bestehende Designs einfügen.

TOPAS electronic AG unterstützt Entwicklerteams bei genau dieser Systemaufgabe: als Distributor mit direktem Zugriff auf ETEK-Laserdiodentreiber, passende Spannungsversorgungs- und Schutzbeschaltung sowie ergänzende Verarbeitungsplattformen aus einer Hand. Wer aktuell ein iToF-basiertes Produkt plant oder ein bestehendes Design optimieren möchte, ist eingeladen, mit unserem Technik-Team in Kontakt zu treten – für Musterbauteile, Datenblätter oder eine unverbindliche Auslegungsunterstützung.