通過GaN組件解決激光雷達的技術(shù)局限性

無人駕駛汽車現(xiàn)在正在成為現(xiàn)實。通過使用許多高性能的智能傳感器，可以實現(xiàn)這種類型的應(yīng)用。數(shù)字和微控制器領(lǐng)域的技術(shù)進步使得可以為ADAS（先進的駕駛輔助系統(tǒng)）創(chuàng)建傳感器，例如車道保持，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既是對駕駛員有用的工具，又是對更高安全標準要求的解決方案。關(guān)于ADAS的最重要的要素之一是行人探測系統(tǒng)的LiDAR，盲點檢測和自適應(yīng)巡航控制。通常，需要檢測和映射車輛周圍所有元素的所有應(yīng)用程序。不難理解，激光雷達的設(shè)計對于獲得安全的自動駕駛汽車至關(guān)重要。

什么是LiDAR以及如何工作

LiDAR代表光檢測和測距，即通過光學(xué)波段中的電磁輻射進行（遠程）檢測和測量。該設(shè)備采用了RADAR的經(jīng)典和簡單原理，但是它確實使用了由激光脈沖組成的光束。用于計算射線源與任何物體之間的距離的技術(shù)稱為TOF（飛行時間），如圖1所示。與RADAR相比，光學(xué)設(shè)備即使在長距離下也具有更高的分辨率，并且因此，它能夠獲得要由中央單元處理的詳細的三維圖像，以避免碰撞。

圖1：TOF技術(shù)（來源：www.hamamatsu.com）

LiDAR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：如果一方面，激光被證明是一種高分辨率光源，它能夠充分利用這一特性，并通過掃描精心地重建環(huán)境的形態(tài)；另一方面，需要較高的機械精度和大約納秒級的脈沖速度。此外，盡管RADAR的電磁波具有高反射系數(shù)，但是對于激光而言卻不能說這，因此需要系統(tǒng)所需的優(yōu)異能量。由流過LED的高電流（甚至幾十安培的數(shù)量級）產(chǎn)生，激光束和占空比必須一定是低擺的，以免過熱。高脈沖速度和高能量會導(dǎo)致系統(tǒng)中的電子設(shè)備需要非常高的功率，而增加系統(tǒng)功率不可避免地導(dǎo)致以下技術(shù)挑戰(zhàn)：

●電源組件的熱管理和散熱器的設(shè)計

●電路能效

●根據(jù)斷裂溫度找到合適的模塊

●優(yōu)化電路板布局以最大程度減少寄生元件

激光雷達內(nèi)部：激光驅(qū)動器

LiDAR激光器由專門設(shè)計的電路驅(qū)動，能夠在短時間內(nèi)提供大量電流。適中的驅(qū)動器由一個與激光器串聯(lián)的充當(dāng)電流開關(guān)的組件組成。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（來源：epc-??co.com）

Q1和DL分別是要激活的激光器的開關(guān)和LED。立即關(guān)閉控制，將C1電容器充電至VIN電壓。當(dāng)Q1接通時，C1通過DL和L1電感放電，從而形成諧振電路。因此，流過激光器的電流將是一個正弦脈沖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，C1再次開始充電。

這種簡單電路的優(yōu)點有很多：

●如果知道，可以利用寄生電感，

●傳輸?shù)郊す獾哪芰颗cVIN直接相關(guān)

●只有一個易于控制的單端開關(guān)元件

●傳輸?shù)郊す馄鞯拿}沖的持續(xù)時間小于開關(guān)設(shè)備的控制接通時間。

面對現(xiàn)實時，電路的技術(shù)方面存在沖突。傳統(tǒng)的硅組件（例如MOSFET）無法為有效的LiDAR系統(tǒng)中的激光驅(qū)動器實施提供必要的功能。MOSFET通道必須很大才能提供更高的控制能力，這會導(dǎo)致寄生電容的充電時間過長，從而導(dǎo)致開關(guān)頻率對于應(yīng)用而言太低。此外，熱管理需要沉重且笨重的散熱器才能充分發(fā)揮作用。

符合要求的GaN器件參數(shù)

通過使用硅組件來解決上述問題很復(fù)雜，并且需要經(jīng)驗豐富的工程師和設(shè)計師來從事電源和高頻領(lǐng)域的工作。

當(dāng)前的電子工程師可以使用創(chuàng)新的寬帶隙技術(shù)設(shè)備，這些設(shè)備具有理想的特性，可以滿足汽車領(lǐng)域?qū)iDAR系統(tǒng)的需求。

GaN（氮化鎵）器件的電子遷移率是硅中的電子遷移率的數(shù)百倍，其能隙為3.4 eV。與硅同類產(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。

所有這些功能都可以滿足驅(qū)動器電路開關(guān)組件的需求。

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

結(jié)論

GaN組件在商業(yè)設(shè)備中的使用只是開始。幾年前被認為是不可能或太復(fù)雜的技術(shù)解決方案在許多領(lǐng)域都被證明是成功的，例如在LiDAR系統(tǒng)的電源驅(qū)動器中。因此，可以肯定的是，在未來幾年中，WBG器件將主導(dǎo)電力電子領(lǐng)域，這可以解決“舊”半導(dǎo)體器件的技術(shù)局限性。

編輯：hfy