適用于自主駕駛車輛LiDAR的GaN FET快速指南

激光探測(cè)及測(cè)距 (LiDAR) 的應(yīng)用包括自主駕駛車輛、無人機(jī)、倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。在這些應(yīng)用中，大多都有人類參與其中，因此人們擔(dān)心 LiDAR 激光可能會(huì)對(duì)眼睛造成傷害。為防止此類傷害，汽車 LiDAR 系統(tǒng)必須符合 IEC 60825-1 1 類安全要求，同時(shí)發(fā)射功率不超過 200 W。

通用解決方案一般采用 1 至 2 ns 脈沖，重復(fù)頻率為 1 至 2 MHz。這很有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樾枰褂梦⒖刂破骰蚱渌笮蛿?shù)字集成電路 (IC) 來控制激光二極管，但又不能直接驅(qū)動(dòng)它，這樣就必須增加一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路。此外，還必須優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，確保 LiDAR 系統(tǒng)的性能適用于汽車工程師協(xié)會(huì) (SAE) 3 級(jí)及以上級(jí)別的高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng) (ADAS)。

使用分立元器件來設(shè)計(jì)符合 IEC 60825-1 安全要求的大功率、高性能柵極驅(qū)動(dòng)器既復(fù)雜又耗時(shí)，可能還會(huì)增加成本，延長(zhǎng)產(chǎn)品上市時(shí)間。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員可以采用集成式高速柵極驅(qū)動(dòng)器 IC，將其與氮化鎵 (GaN) 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 搭配使用。使用集成式解決方案不僅能最大限度地減少降低驅(qū)動(dòng)信號(hào)完整性的寄生效應(yīng)，尤其是在大電流激光功率回路中，而且還能將大電流驅(qū)動(dòng)器安裝在靠近電源開關(guān)的位置，從而盡可能減少高頻開關(guān)噪聲的影響。

本文簡(jiǎn)要介紹了 LiDAR，還討論了相關(guān)應(yīng)用和安全要求，然后以大電流激光功率回路為重點(diǎn)，回顧了設(shè)計(jì)汽車 LiDAR 所面臨的挑戰(zhàn)。隨后介紹了 Efficient Power Conversion (EPC)、Excelitas Technologies、ams OSRAM 和 Texas Instruments 的 LiDAR 解決方案，其中包括 GaN 功率 FET、柵極驅(qū)動(dòng)器和激光二極管，以及評(píng)估板和用于加快開發(fā)過程的實(shí)施指導(dǎo)。

LiDAR 的工作原理

LiDAR 系統(tǒng)可測(cè)量激光束脈沖的往返飛行時(shí)間 (ToF) (Δt)，以此來計(jì)算與物體的距離（圖 1）。距離 (d) 的計(jì)算公式為 d = c * Δt/2，其中 c 表示空氣中的光速。短脈沖持續(xù)時(shí)間是 LiDAR 的關(guān)鍵參數(shù)之一。鑒于光速約為 30 cm/ns，那么 1 ns LiDAR 脈沖的長(zhǎng)度約為 30 cm。這將可分辨的最小特征尺寸下限設(shè)定為 15 cm 左右。因此，LiDAR 脈沖必須限制在幾納秒以內(nèi)，才能對(duì)人體尺度的環(huán)境產(chǎn)生有用的分辨率。

圖 1：LiDAR 利用 ToF 測(cè)量來探測(cè)物體并確定其距離。（圖片來源：ams OSRAM）

脈沖寬度、峰值功率、重復(fù)頻率和占空比是 LiDAR 的主要技術(shù)參數(shù)。例如，LiDAR 系統(tǒng)中使用的典型激光二極管可能具有 100 ns 或更小的脈沖寬度、高于 100 W 的峰值功率、1 kHz 或更高的重復(fù)頻率以及 0.2% 的占空比。峰值功率越高，LiDAR 的探測(cè)距離就越長(zhǎng)，但同時(shí)還要權(quán)衡散熱性能。對(duì)于 100 ns 脈沖寬度，平均占空比通常限制在 0.1% 至 0.2%，以防止激光器過熱。更短的脈沖寬度對(duì)于提高 LiDAR 的安全性也有幫助。

IEC 60825-1 以最大允許照射量 (MPE) 定義激光安全性，該參數(shù)表示造成眼損傷的概率可忽略不計(jì)的光源的最高能量密度或功率。為了達(dá)到可忽略不計(jì)的程度，MPE 功率水平被限制在有 50% 的概率造成眼損傷的能量密度的約 10% 內(nèi)。在功率水平不變的情況下，脈沖寬度越短，平均能量密度就越低，也就越安全。

單次 LiDAR ToF 測(cè)量可以確定與物體的距離，而數(shù)千或數(shù)百萬(wàn)次 LiDAR ToF 測(cè)量則可用于創(chuàng)建一個(gè)三維 (3-D) 點(diǎn)云（圖 2）。點(diǎn)云集合了存儲(chǔ)著大量信息的數(shù)據(jù)點(diǎn)，我們將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)稱為成分。每個(gè)成分都包含一個(gè)描述屬性的值。這些成分可能包括 x、y 和 z 坐標(biāo)，以及強(qiáng)度、顏色和時(shí)間信息（用于測(cè)量物體的移動(dòng)）。LiDAR 點(diǎn)云可創(chuàng)建目標(biāo)區(qū)域的實(shí)時(shí)三維模型。

圖 2：LiDAR 系統(tǒng)結(jié)合大量 ToF 測(cè)量數(shù)據(jù)，創(chuàng)建目標(biāo)區(qū)域的三維點(diǎn)云和圖像。（圖片來源：EPC）

使用 GaN FET 為 LiDAR 激光器供電

GaN FET 的開關(guān)速度比硅 FET 快得多，因此適用于需要極窄脈沖寬度的 LiDAR 應(yīng)用。例如，EPC 的 EPC2252 就是一款通過 AEC-Q101 汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)鑒定的 80 V GaN FET，電流脈沖可達(dá) 75 A（圖 3）。EPC2252 的最大導(dǎo)通電阻 (RDS(on)) 為 11 mΩ，最大總柵極電荷 (Qg) 為 4.3 nC，漏極恢復(fù)電荷 (QRR) 為零。

IC 以裸片尺寸球柵陣列 (DSBGA) 的形式提供。這意味著鈍化后的裸片直接固定到焊球上，無需進(jìn)行任何其他形式的封裝。因此，DSBGA 芯片與硅裸片尺寸相同，最大限度地降低了外形尺寸。在本例中，EPC2252 采用尺寸為 1.5 x 1.5 mm 的 9-DSBGA 封裝。該產(chǎn)品從結(jié)點(diǎn)到電路板的熱阻為 8.3 °C/W，因此適用于高密度系統(tǒng)。

圖 3：EPC2252 GaN FET 通過了 AEC-Q101 認(rèn)證，適用于驅(qū)動(dòng)汽車 LiDAR 系統(tǒng)中的激光二極管。（圖片來源：EPC）

設(shè)計(jì)人員可以使用 EPC 的 EPC9179 開發(fā)板，通過在總脈沖寬度為 2 至 3 ns 的 LiDAR 系統(tǒng)中部署 EPC2252 來實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)（圖 4）。EPC9179 包括一個(gè)來自 Texas Instruments 的 LMG1020 柵極驅(qū)動(dòng)器，可由外部信號(hào)或板載窄脈沖發(fā)生器（擁有亞納秒級(jí)精度）控制。

圖 4：圖示為 EPC9179 演示板，其中包含 EPC2252 GaN FET 和其他關(guān)鍵元器件。（圖片來源：EPC）

開發(fā)板配備由 5 x 5 mm 分離式內(nèi)插器組成的 EPC9989 內(nèi)插器板（圖 5）。這些器件與許多常見的表面貼裝激光二極管（如 SMD 和 MMCX）的安裝基底面以及為適應(yīng)射頻連接器和各種其他負(fù)載而設(shè)計(jì)的模式相對(duì)應(yīng)。

圖 5：EPC9989 內(nèi)插器板由多個(gè)內(nèi)插器組成，例如 SMD 激光內(nèi)插器（右上角），該器件可掰斷，以與 EPC9179 演示板配合使用。（圖片來源：EPC）

Excelitas Technologies 的 TPGAD1S09H 脈沖激光器（圖 6）的發(fā)射波長(zhǎng)為 905 nm，可與 EPC9989 插接器板配合使用。該激光二極管采用安裝在無引線層壓載體上的多層單片式芯片，具有出色的熱性能，波長(zhǎng)溫度系數(shù) (Δλ/ΔT) 為 0.25 nm/°C。這種量子阱激光器的上升和下降時(shí)間均小于 1 ns，并配有適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)器。TPGAD1S09H 可用于表面貼裝應(yīng)用和混合集成。該器件可以平行或垂直于安裝平面發(fā)光，并且環(huán)氧樹脂封裝成本低，適合量產(chǎn)。

圖 6：TPGAD1S09H 脈沖激光器能產(chǎn)生極高峰值脈沖，并可平行或垂直于安裝平面發(fā)光。（圖片來源：Excelitas）

ams OSRAM 的 SPL S1L90A_3 A01（圖 7）是另一個(gè)激光二極管的示例，該器件可與 EPC9989 內(nèi)插器板配合使用。這款單通道 908 nm 激光模塊可提供 1 至 100 ns 脈沖，峰值輸出功率為 120 W。其工作溫度范圍為 -40 至 +105 °C，占空比為 0.2%，采用緊湊型 QFN 封裝，尺寸為 2.0 x 2.3 x 0.69 mm。

圖 7：SPL S1L90A_3 A01 激光二極管能產(chǎn)生 1 至 100 ns 脈沖，可與 EPC9989 內(nèi)插器板配合使用。（圖片來源：ams OSRAM）

對(duì)于需要極窄脈沖寬度的 LiDAR 系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以采用 Texas Instruments 的 LMG1025-Q1 單通道低壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器，該器件具有 1.25 ns 的輸出脈沖寬度，可讓高強(qiáng)度 LiDAR 系統(tǒng)符合 IEC 60825-1 1 類安全要求。其脈沖寬度窄，開關(guān)速度快，脈寬失真度為 300 ps，能夠在遠(yuǎn)距離上進(jìn)行精確的 LiDAR ToF 測(cè)量。

2.9 ns 的傳播延遲縮短了控制回路的響應(yīng)時(shí)間，2 x 2 mm 的 QFN 封裝最大限度地減少了寄生電感，從而支持高頻 LiDAR 驅(qū)動(dòng)電路中的大電流、低瞬時(shí)振蕩開關(guān)。LMG1025-Q1EVM 是 LMG1025-Q1 的評(píng)估模塊，該器件有一個(gè)位置，可容納代表典型激光二極管的電阻負(fù)載，或用于在使用電阻負(fù)載進(jìn)行驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)諧后安裝激光二極管（圖 8）。

圖 8：LMG1025-Q1EVM 演示板可容納代表典型激光二極管的電阻負(fù)載，用于初始設(shè)置。

（圖片來源：Texas Instruments）

總結(jié)

設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻，所開發(fā)的汽車 LiDAR 系統(tǒng)不僅要提供具有厘米級(jí)分辨率的實(shí)時(shí) ToF 測(cè)量，還要符合 IEC 60825-1 1 類安全要求。如前所述，GaN FET 可與各種激光二極管配合使用，產(chǎn)生高性能汽車 LiDAR 所需的納秒級(jí)脈沖寬度和高峰值功率。

(作者：Kenton Williston)