一组专为激光雷达（LiDAR）系统设计的eToF激光驱动器

据麦姆斯咨询报道，宜普电源转换公司（简称：宜普电源，英文：EPC）最近推出一组专为激光雷达（LiDAR）系统设计的eToF激光驱动器。这款新型氮化镓（GaN）产品系列旨在普及飞行时间（ToF）在自动驾驶汽车、消费及工业3D传感中的应用。

宜普电源为激光雷达开发的新型器件直接集成了驱动器与GaN基激光器，几乎消除了将两者分离设计而存在的电感问题。宜普电源首席执行官Alex Lidow解释说，这种设计使得宜普电源的新型激光驱动器能够产生相对更快的脉冲，最终使激光雷达获得更高的分辨率。

Alex Lidow说：“激光产生速度越快越好！”

集成设计也减小了传感器和驱动器组合件的尺寸，新器件系列产品的面积只有3平方毫米，甚至1平方毫米。Lidow补充说，这样会带来价格的降低。

“一颗不足1美元的激光驱动器，相比于100美元、200美元的价格，会带来什么改变？”Lidow如此解释，OEM厂商会发现为宜普电源的新器件投入只是一笔微不足道的费用。

Lidow说到，在机器人、吸尘器、无人机及其它应用领域，宜普电源的产品已经用于数百万台激光雷达。他相信，随着新型激光雷达的性能提高、体积缩小、成本降低，将吸引智能手机、豪华汽车等更多其他终端厂商采用。

另外也包括摄像头。摄像头的光学传感器需要一定时间对进入镜头的物体进行聚焦。以光速测定物距是激光雷达的基本功能，所以Lidow的设想是把激光雷达也集成到摄像头系统中。

Lidow强调如何在激光雷达应用领域以低成本引入这个新器件系列，并与MOSFET竞争。宜普电源推出的激光驱动器EPC21601在单颗芯片上集成了40V、10A的场效应晶体管（FET）、栅极驱动器，采用3.3V逻辑电平输入。

激光雷达是一种利用脉冲激光测量物体距离、并根据获取的信息输出三维图像的技术。激光雷达技术提供精确、广域覆盖、全数字支持的数据收集功能。

采用GaN技术的FET，适合作为激光开关的驱动元件，能够实现大电流和极短脉冲。窄脉冲宽度能提供更高的分辨率，而高脉冲电流能让激光雷达系统探测更远的距离。Lidow评论道：“GaN技术满足上述两种特性要求，因此它成为了激光雷达的理想选择。”

激光雷达的飞行时间技术

脉冲式激光雷达技术用于远距离直接测量光子往返的时间，进而计算出距离，这称为“飞行时间法”。Lidow提出：“ToF技术其实非常简单，本质上它就是测量光子往返时间。”

不过，如果对近距离的物体进行测量，激光信号的脉冲宽度会带来一个问题。“光每3ns传播1m，所以1ns宽的脉冲无法真正测量到1m以内的物体，除非采用输出和输入之间的相位差来判断。所以针对短距离测量时，会选择光功率更高的间接飞行时间（iToF）。脉冲流的频率为100MHz，测量一系列脉冲流的相位差，以此来推算物体的距离。”Lidow说道。

他又补充道：“如果要观测几英尺以外的物体，只需要电流为1A~10A的垂直腔面发射激光器（VCSEL）。但如果想观测更远具体的物体，就需要更大的功率，因为你用的是无方向性的激光脉冲。因此，iToF往往在近距离测量中表现非常出色，但对远距离物体来说并非是一个有效的方法。”

图1：脉冲宽度及振幅（来源：宜普电源）

用于激光雷达的eToF激光驱动器

EPC21601是一款逻辑控制电压为3.3V、频率高达200MHz、激光驱动电流可调制最大10A的激光驱动器。其开启、断开时间分别为410ps和320ps。作为一颗单芯片plus eGaN FET驱动器，EPC21601采用EPC的GaN IC专利技术、芯片级BGA封装，尺寸仅有1.5mm x 1.0mm。

EPC21601是一颗40V、10A的FET，用于驱动逻辑电平输入为3.3V的VCSEL。“使用两个独立芯片而非单个芯片时，需要注意的是：两个独立芯片在驱动器和功率FET之间会存在大约50pH的电感，这50pH的电感会使速度减半。所以，即使是把电感减小到10pH或20pH，也是非常重要的。驱动器和功率FET的集成能将共源极电感减至10pH以下，从而改善脉冲的上升和下降时间，同时也改善了对近距离物体的分辨率。”Lidow说道。

图2：EPC21601的时延性能（来源：宜普电源）

EPC21601采用芯片级封装（CSP），易于组装，节省占板面积，提高整体效率。Lidow表示：“本系列产品将更快、更多地推动ToF技术进入终端应用。”他补充道：“超声波传感器的局限是无法探测距离小于30cm的物体，这与工作频率有关。所以可以替换超声波传感器和近距离摄像头芯片。”EPC21601就是专门为高速和短脉冲操作而设计的，同时最大幅度地减少了所需外部组件的数量。

图3：EPC21601的时延性能——200MHz（来源：宜普电源）

在图2和图3中，Lidow展示了如何用一系列测试验证新器件在高速应用中的有效性。“图2中有一个10A、20V、9ns的脉冲序列，开启时间约400ps，断开时间约300ps，开启和断开时受电感限制，这种条件下能分辨非常近的距离。图3是一个200MHz的脉冲序列。脉冲时间缩短为1.4ns，电流和电压仍然是10A和20V。从图中可以看出，断开时间是245ps。”Lidow还补充道，根据图2和图3，新的激光驱动器IC可以配合ToF应用中任何对速度要求非常快的激光器技术。

图4：演示电路板（来源：宜普电源）

图5：EPC9154开发板电路图（来源：宜普电源）

Lidow提到还有一些比如EPC9154的开发板，具有eToF激光驱动IC EPC21601的特点，主要用来驱动短脉冲高电流激光二极管。其性能包括：最小脉冲宽度小于2ns、峰值电流大于10A、及30V母线电压。EPC9154能利用电流脉冲驱动激光二极管，峰值功率达几十瓦。用于激光雷达的激光二极管在设计时考虑到了这一点，但激光器封装时的散热限制则要求必须确认对脉冲宽度、工作周期和脉冲重复频率的限制。

图6：连接与测量设置（来源：宜普电源）

正如Lidow指出的那样，出于特定的原因，可能影响性能的开关损耗实际上对热问题的影响并不大，因为激光是在突发模式（burst mode）下使用的。“因此，它周期性地发射200MHz的脉冲流，也可能是100kHz，或是10kHz，这取决于想要达到的帧率。每一种情况下，激光器都存在热极限。”Lidow说道。

他补充说，“作为一个竞争对手来审视MOSFET。硅基MOSFET的成本非常低，而且是人们都很熟悉的产品。但其在高频和高功率密度的应用中受到限制。举个例子来说，在电机驱动中，我们现在看到GaN技术的采用大量增加，因为电机在低电压下的工作频率从20kHz增加到100kHz。对于新一代汽车来说，需要的是4kW或5kW功率器件，其中4kW MOSFET最佳，因此需要带MOSFET的七相降压变换器，而GaN能分四个阶段实现这个功能，还节省空间、提高效率。”

新型eToF会给消费者带来更多收益，包括豪华机器人和其它价位相对低廉的机器人。这些机器人都需要激光雷达帮助它们不会与物体相撞，并准确定位。无人机上使用该解决方案可以扩大地面识别域，从而进一步拓展市场。

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