激光雷達應用對激光的需求

【編者按】麥姆斯咨詢整理了宜普電源轉換公司（EPC）首席執(zhí)行官Alex Lidow公開發(fā)表的關于GaN功率器件原理、應用及優(yōu)勢的理解，為讀者奉獻一系列文章。在本系列文章中，將討論一些新興應用如何利用GaN功率器件的優(yōu)勢實現(xiàn)終端產品差異化。

如何使用eGaN FET實現(xiàn)看得更遠、更清晰、成本更低的超高速、高功率激光驅動器

在本系列的第一篇文章中，討論了低壓硅上氮化鎵（GaN-on-Silicon）功率器件如何實現(xiàn)許多新應用，如激光雷達（LiDAR）、包絡跟蹤和無線充電。在這篇文章中，我們將更詳細地探討其中一項先進應用：激光雷達。文中將展示如何使用GaN材料來制造看得更遠、分辨率更高、成本更低的激光雷達系統(tǒng)。

激光雷達應用對激光的需求

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，激光雷達（LiDAR）屬于一種遙感技術，它將脈沖光從傳感器中發(fā)射出去，通過測量反射回來的時間確定物體的位置和距離。如果用激光作為光源，即使在距離遠的地方，也能測量出小光斑的距離。當與光學操縱系統(tǒng)結合時，則通過對物體的掃描實現(xiàn)距離測量，并在三維空間中映射出探測對象，如圖1所示。

圖1：激光雷達工作原理示意圖

對于自動駕駛和輔助駕駛等應用，激光雷達系統(tǒng)充當車輛的“眼睛”，需要短至幾納秒甚至更短時間的脈沖來實現(xiàn)必要的距離分辨率。脈沖通常由激光二極管產生。為實現(xiàn)遠距離探測，需要很高的激光峰值功率，這意味著激光二極管電流峰值為10~100A。目前的技術離不開復雜的電路設計和昂貴的稀有半導體。

GaN用于激光雷達的優(yōu)勢

用于激光雷達的典型脈沖激光驅動器一般使用半導體開關與激光、電源串聯(lián)，其性能受雜散電感和半導體功率開關速度的限制。在過去的十年中，具有成本效益的氮化鎵功率場效應晶體管（GaN FET）和集成電路（IC）已經進入市場，其電感和開關性能指標（FOMs）相比同類硅基金屬-氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）高10倍。

隨著增強型氮化鎵功率場效應晶體管（eGaN FET）和IC的出現(xiàn)，激光雷達所要求的性能變得簡單可行，同時還能實現(xiàn)尺寸減小和成本降低的目的。三款用于激光雷達的場效應晶體管有EPC2036、EPC2016C和EPC2001C，如圖2所示。與過去的硅基MOSFET技術相比，eGaN FET的性能有了大幅提高。在相同的峰值電流水平，后者的轉換速度更快，確保電流高于100A，脈沖寬度小于2ns，不過目前無法同時滿足！GaN的超高性能，電感極低的芯片級封裝使eGaN FET成為脈沖激光驅動器的理想開關。

圖2：最受激光雷達系統(tǒng)歡迎三款的eGaN FET：EPC2036、EPC201C和EPC2001C

如何實現(xiàn)超高速、大功率激光驅動器

最簡單常見的激光驅動器是諧振電容放電驅動器，如圖3所示。Q1通過雜散電感L1和激光器DL對電容C1諧振放電。為了克服電感L1，達到所需的快速電流上升時間，C1被充電到相對較高的電壓（通常為25V~150V）。Q1必須能夠承受該電壓，傳導峰值電流，并在1ns或更少的時間內打開。eGaN FET是目前唯一能夠滿足上述要求且性價比高的半導體開關。

圖3：激光驅動器的關鍵波形簡單示意圖

激光驅動器EPC9126和EPC9126 HC演示系統(tǒng)采用EPC功率轉換應用中推薦的基本最優(yōu)布局原則，以達到電感最小化。EPC9126配備了EPC2016C，可產生35個寬度小于4ns的脈沖，形成三結激光器。EPC9126 HC能產生電流高至65A、寬度小于8ns的脈沖。兩個驅動器內置關鍵波形傳感功能，并可以容納多組激光器。

圖4：EPC9126激光驅動器演示版以及波形測量示意圖

為了獲得最佳性能，印刷電路板（PCB）可以根據(jù)激光器進行優(yōu)化，并與高性能柵極驅動器（如德州儀器的LMG1020）配合。使用低電感表面貼裝激光器，如Excelitas公司的TPGAD1S09H，EPC2016C可以實現(xiàn)26A、1.8ns的脈沖（圖5）。對于極高峰值功率（>4kW），200V的EPC2047的脈沖電流額定值為160A，用相同的驅動器和激光器可實現(xiàn)8ns、155A的脈沖（圖6）。

圖5：EPC2016C搭配德州儀器驅動器LMG1020和Excelitas表面貼裝激光器TPGAD1S09H

圖6：EPC2047搭配德州儀器驅動器LMG1020和Excelitas表面貼裝激光器TPGAD1S09H

已通過車規(guī)級認證

對于汽車激光雷達應用，EPC已經發(fā)布通過AEC-Q101認證的幾款產品，其中EPC2202在額定電壓為80V時脈沖電流為75A，EPC2212在額定電壓為100V時脈沖電流為75A，EPC2203在額定電壓為80V時脈沖電流為17A。EPC2202、EPC2212與EPC2016C的面積相同，EPC2203與EPC2036的面積相同。此外，還有更多為激光雷達設計的場效應晶體管和IC正在進行車規(guī)級認證。

結論

GaN功率晶體管的卓越性能為激光驅動器帶來了突破性進展。在幾平方毫米面積上產生幾納秒的大電流脈沖，提供數(shù)百瓦的功率，令人驚嘆！這為激光雷達行業(yè)里倡導的價格適中、尺寸更小、性能更高的技術革命注入了“能量”！