激光雷达应用对激光的需求

【编者按】麦姆斯咨询整理了宜普电源转换公司（EPC）首席执行官Alex Lidow公开发表的关于GaN功率器件原理、应用及优势的理解，为读者奉献一系列文章。在本系列文章中，将讨论一些新兴应用如何利用GaN功率器件的优势实现终端产品差异化。

如何使用eGaN FET实现看得更远、更清晰、成本更低的超高速、高功率激光驱动器

在本系列的第一篇文章中，讨论了低压硅上氮化镓（GaN-on-Silicon）功率器件如何实现许多新应用，如激光雷达（LiDAR）、包络跟踪和无线充电。在这篇文章中，我们将更详细地探讨其中一项先进应用：激光雷达。文中将展示如何使用GaN材料来制造看得更远、分辨率更高、成本更低的激光雷达系统。

激光雷达应用对激光的需求

据麦姆斯咨询介绍，激光雷达（LiDAR）属于一种遥感技术，它将脉冲光从传感器中发射出去，通过测量反射回来的时间确定物体的位置和距离。如果用激光作为光源，即使在距离远的地方，也能测量出小光斑的距离。当与光学操纵系统结合时，则通过对物体的扫描实现距离测量，并在三维空间中映射出探测对象，如图1所示。

图1：激光雷达工作原理示意图

对于自动驾驶和辅助驾驶等应用，激光雷达系统充当车辆的“眼睛”，需要短至几纳秒甚至更短时间的脉冲来实现必要的距离分辨率。脉冲通常由激光二极管产生。为实现远距离探测，需要很高的激光峰值功率，这意味着激光二极管电流峰值为10~100A。目前的技术离不开复杂的电路设计和昂贵的稀有半导体。

GaN用于激光雷达的优势

用于激光雷达的典型脉冲激光驱动器一般使用半导体开关与激光、电源串联，其性能受杂散电感和半导体功率开关速度的限制。在过去的十年中，具有成本效益的氮化镓功率场效应晶体管（GaN FET）和集成电路（IC）已经进入市场，其电感和开关性能指标（FOMs）相比同类硅基金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）高10倍。

随着增强型氮化镓功率场效应晶体管（eGaN FET）和IC的出现，激光雷达所要求的性能变得简单可行，同时还能实现尺寸减小和成本降低的目的。三款用于激光雷达的场效应晶体管有EPC2036、EPC2016C和EPC2001C，如图2所示。与过去的硅基MOSFET技术相比，eGaN FET的性能有了大幅提高。在相同的峰值电流水平，后者的转换速度更快，确保电流高于100A，脉冲宽度小于2ns，不过目前无法同时满足！GaN的超高性能，电感极低的芯片级封装使eGaN FET成为脉冲激光驱动器的理想开关。

图2：最受激光雷达系统欢迎三款的eGaN FET：EPC2036、EPC201C和EPC2001C

如何实现超高速、大功率激光驱动器

最简单常见的激光驱动器是谐振电容放电驱动器，如图3所示。Q1通过杂散电感L1和激光器DL对电容C1谐振放电。为了克服电感L1，达到所需的快速电流上升时间，C1被充电到相对较高的电压（通常为25V~150V）。Q1必须能够承受该电压，传导峰值电流，并在1ns或更少的时间内打开。eGaN FET是目前唯一能够满足上述要求且性价比高的半导体开关。

图3：激光驱动器的关键波形简单示意图

激光驱动器EPC9126和EPC9126 HC演示系统采用EPC功率转换应用中推荐的基本最优布局原则，以达到电感最小化。EPC9126配备了EPC2016C，可产生35个宽度小于4ns的脉冲，形成三结激光器。EPC9126 HC能产生电流高至65A、宽度小于8ns的脉冲。两个驱动器内置关键波形传感功能，并可以容纳多组激光器。

图4：EPC9126激光驱动器演示版以及波形测量示意图

为了获得最佳性能，印刷电路板（PCB）可以根据激光器进行优化，并与高性能栅极驱动器（如德州仪器的LMG1020）配合。使用低电感表面贴装激光器，如Excelitas公司的TPGAD1S09H，EPC2016C可以实现26A、1.8ns的脉冲（图5）。对于极高峰值功率（>4kW），200V的EPC2047的脉冲电流额定值为160A，用相同的驱动器和激光器可实现8ns、155A的脉冲（图6）。

图5：EPC2016C搭配德州仪器驱动器LMG1020和Excelitas表面贴装激光器TPGAD1S09H

图6：EPC2047搭配德州仪器驱动器LMG1020和Excelitas表面贴装激光器TPGAD1S09H

已通过车规级认证

对于汽车激光雷达应用，EPC已经发布通过AEC-Q101认证的几款产品，其中EPC2202在额定电压为80V时脉冲电流为75A，EPC2212在额定电压为100V时脉冲电流为75A，EPC2203在额定电压为80V时脉冲电流为17A。EPC2202、EPC2212与EPC2016C的面积相同，EPC2203与EPC2036的面积相同。此外，还有更多为激光雷达设计的场效应晶体管和IC正在进行车规级认证。

结论

GaN功率晶体管的卓越性能为激光驱动器带来了突破性进展。在几平方毫米面积上产生几纳秒的大电流脉冲，提供数百瓦的功率，令人惊叹！这为激光雷达行业里倡导的价格适中、尺寸更小、性能更高的技术革命注入了“能量”！