激光雷達的工作原理及如何利用氮化鎵消除隱患

在實際的激光雷達系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的硅器件(例如MOSFET)無法為其激光驅(qū)動器實現(xiàn)提供必要的性能。為了增強控制，MOSFET的溝道必須很大，這會導(dǎo)致寄生電容的充電時間過長，從而導(dǎo)致開關(guān)頻率太低而不滿足應(yīng)用所需。此外，散熱管理要達到良好的效果，就需要使用大體積、大重量的散熱器。

自動駕駛汽車正在成為現(xiàn)實，這種應(yīng)用通過使用許多高性能的智能傳感器來實現(xiàn)。數(shù)字和微控制器（MCU）領(lǐng)域的技術(shù)進步，使我們可以為高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）創(chuàng)建各種傳感器，例如實現(xiàn)車道保持、自適應(yīng)巡航控制，以及在超車期間檢測盲點的結(jié)構(gòu)。ADAS既是一種對駕駛員有用的工具，又是一種用來滿足更高安全標準要求的解決方案。激光雷達（LiDAR）是ADAS最重要的元素之一，它可以用來實現(xiàn)行人檢測系統(tǒng)、盲點檢測和自適應(yīng)巡航控制。通常，它對于需要檢測和勘測車輛周圍所有元素的所有應(yīng)用都適用。不難理解，激光雷達的設(shè)計對獲得安全的自動駕駛汽車來說至關(guān)重要。

什么是激光雷達，它又是如何工作？

激光雷達的全稱是光檢測和測距，即通過光波段中的電磁輻射所進行的（遠程）檢測和測量。這種裝置采用了經(jīng)典、簡單的雷達原理，不同的是它使用的是由激光脈沖所組成的光束。用于計算射線源與任何物體之間的距離的技術(shù)又稱為TOF（飛行時間），如圖1所示。與雷達相比，光學(xué)裝置即使在長距離下也具有更高的分辨率，因此，它可以獲得更詳細的三維圖像，再經(jīng)過中央單元處理就可以避免碰撞。

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

我們了解激光雷達的原理已有數(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，使用激光束會帶來一些重要的技術(shù)問題：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，通過掃描來仔細重建環(huán)境的形態(tài)；另一方面，它需要具有較高的機械精度和納秒級的脈沖速度；此外，雷達的電磁波具有高反射系數(shù)，而對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（甚至達數(shù)十安培的數(shù)量級）流過LED所產(chǎn)生的，因此，為了防止過熱，其占空比就必須非常低。要實現(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，就不可避免地會帶來以下技術(shù)挑戰(zhàn)：

● 電源器件的散熱管理及散熱器的設(shè)計

● 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

激光雷達內(nèi)部：激光驅(qū)動器

激光雷達的激光器是由專門設(shè)計的電路所驅(qū)動的，它能夠在短時間內(nèi)提供大量電流。普通的驅(qū)動器是由一個與激光器串聯(lián)的、充當電流開關(guān)的元件所構(gòu)成。實現(xiàn)這種驅(qū)動器最常用的電路拓撲之一是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。（圖片來源：epc-co.com）

Q1和DL分別是待激活的激光器的開關(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Q1導(dǎo)通時，C1通過DL和L1電感放電，從而就形成了諧振電路。因此，流過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DL上的電壓小于VDLF時，C1再次開始充電。

這種簡單電路的優(yōu)點有很多：

● 如果寄生電感已知，就可以對其利用；

● 傳輸?shù)郊す獾哪芰颗cVIN直接相關(guān)；

● 只有一個單端開關(guān)元件，因此很容易控制；

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

面對現(xiàn)實時，電路的技術(shù)方面存在沖突。在實際的激光雷達系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的硅元件（例如MOSFET）無法為其激光驅(qū)動器實現(xiàn)提供必要的性能。為了增強控制，MOSFET的溝道必須很大，這會導(dǎo)致寄生電容的充電時間過長，從而導(dǎo)致開關(guān)頻率太低而不滿足應(yīng)用所需。此外，散熱管理要達到良好的效果，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)

上述問題很難通過使用硅器件來解決，并且需要由經(jīng)驗豐富的、擅長電源和高頻領(lǐng)域工作的工程師和設(shè)計人員來進行。

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滿足汽車領(lǐng)域?qū)す饫走_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)動器電路開關(guān)器件的需求。

圖3：GaN器件的基本結(jié)構(gòu)。（圖片來源：www.st.com）

總結(jié)

氮化鎵器件在商用設(shè)備中的運用還只是開始。事實證明，這類幾年前還被認為是不可能或過于復(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，例如激光雷達系統(tǒng)中的電源驅(qū)動器。因此可以肯定的是，在未來幾年，寬禁帶器件將會成為電力電子領(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