什么是激光雷達(dá) 如何用氮化鎵消除激光雷達(dá)

在實(shí)際的激光雷達(dá)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的硅器件（例如MOSFET）無(wú)法為其激光驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)提供必要的性能。為了增強(qiáng)控制，MOSFET的溝道必須很大，這會(huì)導(dǎo)致寄生電容的充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率太低而不滿足應(yīng)用所需。此外，散熱管理要達(dá)到良好的效果，就需要使用大體積、大重量的散熱器。自動(dòng)駕駛汽車正在成為現(xiàn)實(shí)，這種應(yīng)用通過(guò)使用許多高性能的智能傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字和微控制器（MCU）領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，使我們可以為高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）創(chuàng)建各種傳感器，例如實(shí)現(xiàn)車道保持、自適應(yīng)巡航控制，以及在超車期間檢測(cè)盲點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。ADAS既是一種對(duì)駕駛員有用的工具，又是一種用來(lái)滿足更高安全標(biāo)準(zhǔn)要求的解決方案。激光雷達(dá)（LiDAR）是ADAS最重要的元素之一，它可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)行人檢測(cè)系統(tǒng)、盲點(diǎn)檢測(cè)和自適應(yīng)巡航控制。通常，它對(duì)于需要檢測(cè)和勘測(cè)車輛周圍所有元素的所有應(yīng)用都適用。不難理解，激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)對(duì)獲得安全的自動(dòng)駕駛汽車來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

什么是激光雷達(dá)，它又是如何工作？

激光雷達(dá)的全稱是光檢測(cè)和測(cè)距，即通過(guò)光波段中的電磁輻射所進(jìn)行的（遠(yuǎn)程）檢測(cè)和測(cè)量。這種裝置采用了經(jīng)典、簡(jiǎn)單的雷達(dá)原理，不同的是它使用的是由激光脈沖所組成的光束。用于計(jì)算射線源與任何物體之間的距離的技術(shù)又稱為T(mén)OF（飛行時(shí)間），如圖1所示。與雷達(dá)相比，光學(xué)裝置即使在長(zhǎng)距離下也具有更高的分辨率，因此，它可以獲得更詳細(xì)的三維圖像，再經(jīng)過(guò)中央單元處理就可以避免碰撞。

圖1：TOF技術(shù)。（圖片來(lái)源：www.hamamatsu.com）

我們了解激光雷達(dá)的原理已有數(shù)十年的歷史，其應(yīng)用涉及醫(yī)療、軍事以及汽車等許多領(lǐng)域。但是，使用激光束會(huì)帶來(lái)一些重要的技術(shù)問(wèn)題：一方面，如果激光被證明是一種高分辨率光源，那么就可以充分利用這一特性，通過(guò)掃描來(lái)仔細(xì)重建環(huán)境的形態(tài)；另一方面，它需要具有較高的機(jī)械精度和納秒級(jí)的脈沖速度；此外，雷達(dá)的電磁波具有高反射系數(shù)，而對(duì)于激光而言卻不是如此，因此就需要為系統(tǒng)提供更多的能量。由于激光束是依靠大電流（甚至達(dá)數(shù)十安培的數(shù)量級(jí)）流過(guò)LED所產(chǎn)生的，因此，為了防止過(guò)熱，其占空比就必須非常低。要實(shí)現(xiàn)高脈沖速度和高能量，系統(tǒng)中的電子裝置就需要給以非常大的功率，因此，要增加系統(tǒng)功率，就不可避免地會(huì)帶來(lái)以下技術(shù)挑戰(zhàn)：

● 電源器件的散熱管理及散熱器的設(shè)計(jì)

● 電路能效

● 根據(jù)極限溫度找到合適的模塊

● 優(yōu)化電路板布局而最大程度降低寄生元件

激光雷達(dá)內(nèi)部：激光驅(qū)動(dòng)器

激光雷達(dá)的激光器是由專門(mén)設(shè)計(jì)的電路所驅(qū)動(dòng)的，它能夠在短時(shí)間內(nèi)提供大量電流。普通的驅(qū)動(dòng)器是由一個(gè)與激光器串聯(lián)的、充當(dāng)電流開(kāi)關(guān)的元件所構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)這種驅(qū)動(dòng)器最常用的電路拓?fù)渲皇?a target="_blank">電容器放電諧振電路，如圖2所示。

圖2：電容器放電諧振電路。（圖片來(lái)源：epc-co.com）

Q1和DL分別是待激活的激光器的開(kāi)關(guān)和LED。一旦控制器關(guān)閉，C1電容器就立即充電至VIN電壓。當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，C1通過(guò)DL和L1電感放電，從而就形成了諧振電路。因此，流過(guò)激光器的電流就是正弦脈沖iDL，直到LED兩端的電壓高于其正向電壓VDLF為止。當(dāng)DL上的電壓小于VDLF時(shí)，C1再次開(kāi)始充電。

這種簡(jiǎn)單電路的優(yōu)點(diǎn)有很多：

● 如果寄生電感已知，就可以對(duì)其利用；

● 傳輸?shù)郊す獾哪芰颗cVIN直接相關(guān)；

● 只有一個(gè)單端開(kāi)關(guān)元件，因此很容易控制；

● 傳輸?shù)郊す馄鞯拿}沖，其持續(xù)時(shí)間小于開(kāi)關(guān)器件的控制導(dǎo)通時(shí)間。

面對(duì)現(xiàn)實(shí)時(shí)，電路的技術(shù)方面存在沖突。在實(shí)際的激光雷達(dá)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的硅元件（例如MOSFET）無(wú)法為其激光驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)提供必要的性能。為了增強(qiáng)控制，MOSFET的溝道必須很大，這會(huì)導(dǎo)致寄生電容的充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率太低而不滿足應(yīng)用所需。此外，散熱管理要達(dá)到良好的效果，就需要使用大體積、大重量的散熱器。

氮化鎵器件可滿足所需參數(shù)

上述問(wèn)題很難通過(guò)使用硅器件來(lái)解決，并且需要由經(jīng)驗(yàn)豐富的、擅長(zhǎng)電源和高頻領(lǐng)域工作的工程師和設(shè)計(jì)人員來(lái)進(jìn)行。

創(chuàng)新的寬禁帶技術(shù)器件則具有理想的特性，目前的電子工程師可以利用這類器件來(lái)滿足汽車領(lǐng)域?qū)す饫走_(dá)系統(tǒng)的需求。

氮化鎵（GaN）器件的電子遷移率是硅器件的數(shù)百倍，其能隙為3.4eV。與同類的硅產(chǎn)品相比，GaN MOSFET具有更低的傳導(dǎo)損耗、更高的開(kāi)關(guān)速度、更好的熱性能，以及更小的尺寸和成本。

所有這些特性都可以滿足驅(qū)動(dòng)器電路開(kāi)關(guān)器件的需求。

圖3：GaN器件的基本結(jié)構(gòu)。

總結(jié)

氮化鎵器件在商用設(shè)備中的運(yùn)用還只是開(kāi)始。事實(shí)證明，這類幾年前還被認(rèn)為是不可能或過(guò)于復(fù)雜的技術(shù)解決方案，現(xiàn)在在許多領(lǐng)域都取得了成功，例如激光雷達(dá)系統(tǒng)中的電源驅(qū)動(dòng)器。因此可以肯定的是，在未來(lái)幾年，寬禁帶器件將會(huì)成為電力電子領(lǐng)域的主流，這樣就可以解決“舊”半導(dǎo)體器件的技術(shù)局限性。
編輯：hfy