用于高分辨率激光雷達的氮化鎵HEMT電路拓撲結構

來源：EETOP編譯自allaboutcircuits

激光雷達（LiDAR）基于通過將光束照射到物體上并準確測量反射的飛行時間來估算距離的原理。通過將發射光掃過真實世界的場景，可以收集三維信息以供計算機系統進一步處理。LiDAR 的應用眾多且還在不斷增長，包括航空測量、用于 3D 建模的對象掃描和自動駕駛車輛控制。

考慮到這一點，本文將首先介紹高性能 LiDAR 系統的一些關鍵組件，然后展示主要電路并提供 GaN HEMT 的兩種不同設計拓撲的仿真示例：雙邊緣方波和單邊緣諧振電路。

激光雷達用高功率脈沖激光二極管

LiDAR 系統中最常見的光源是高功率脈沖激光二極管，通常以人眼吸收范圍之外的波長為中心。這些激光器產生的光束質量對于 LiDAR 系統的分辨率至關重要。如圖 1 所示，通過使用高功率、銳利的發射區域設備可以顯著提高分辨率。

圖 1. 高功率激光二極管提高了 3D LiDAR 傳感的分辨率。

例如，ROHM提供的激光二極管在 905 nm 時的峰值輸出功率高達 120 W，可與 LiDAR 以及同步定位和映射 (SLAM) 一起使用。

用于 LiDAR 脈沖生成的半導體開關

要為 LiDAR 產生光脈沖，這些激光器必須由半導體開關驅動。同樣，開關的質量直接影響 LiDAR 圖像的分辨率，通常以開啟時間、峰值電流和開關損耗為特征。

LiDAR 開關技術的一個示例是使用氮化鎵(GaN) 構建的高電子遷移率晶體管 (HEMT)。與傳統的硅器件相比，這些開關可以表現出極快的速度和高達 65%的低功耗，如圖 2 所示。

圖 2. 與傳統硅晶體管相比，HEMT 開關損耗。

對于包括 LiDAR 在內的高功率應用，GaN HEMT 器件可用于支持各種系統工作電壓和功率水平。例如，ROHM Semiconductor 的 GaN HEMT 產品組合包括 150 V 和 650 V 型號。

HEMT柵極驅動器

要利用 HEMT 器件的速度優勢，必須使用高速信號正確驅動它們的柵極。在LiDAR 輸出級的最前面是 HEMT 柵極驅動器，如圖 3 所示。

圖 3.為 HEMT 電路使用專門的高速柵極驅動器 IC。

這些驅動器專門設計用于提供適當的偏置電壓和速度以連接 GaN HEMT 晶體管，同時還提供雙輸出和輸出使能控制等便利功能。

使用所有這些用于控制、驅動和生成輸出光脈沖的優化部件構建LiDAR 系統可確保最終輸出圖像具有更高的分辨率。然而，特定應用的確切電路拓撲通常從以下兩種類型中選擇一種：雙沿方波或單沿諧振。

雙沿方波 GaN HEMT 電路

為激光二極管提供脈沖的最簡單方法是使用串聯開關控制電流，如圖 4 的仿真示意圖所示。

圖 4. 使用方波 HEMT 驅動器配置的仿真示意圖。

上圖中，U1為GaN HEMT，通過RLD90QZWD 35W激光二極管直接從電源Vin灌電流。當 U1 的柵極驅動為高電平時，激光器打開，當驅動為低電平時，激光器關閉。這兩個邊沿控制光輸出的脈沖寬度，因此稱為“雙邊沿”或方波配置。

該控制方案的仿真波形如圖 5 所示，其中HEMT 上的柵極電壓用紅色表示，通過 HEMT 的電流用綠色表示。

圖 5.使用方波 HEMT 柵極驅動器的柵極電壓（紅色）和漏極電流（綠色）。

在圖 6 中，激光二極管的光輸出功率以藍色表示。

圖 6. 使用方波 HEMT 柵極驅動器的光輸出功率。

雖然這種類型的驅動器可以輕松實現并提供輸出脈沖寬度的靈活性，但有幾個缺點使其成為高性能 LiDAR 的一個相當不受歡迎的選擇。

1. 激光器的開啟速度直接受限于HEMT的開啟速度和電路中的串聯電感。

2. 脈沖形狀是不對稱的，開啟和關閉邊沿都需要仔細考慮時序。

盡管存在這些缺點，但可以通過使用更流行的諧振配置來改進這兩個特性。

單邊諧振 GaN HEMT 電路

如圖 7 的仿真示意圖所示，諧振拓撲將 HEMT 置于完全不同的角色。

圖 7. 諧振配置 HEMT 柵極驅動器的仿真示意圖。

HEMT (U1) 不是直接控制通過激光器的電流，而是用于啟動通過電感 L1 和電容器 C2 的諧振放電。這樣，只有控制信號的前沿是重要的，因為脈沖寬度完全由與激光器串聯的 LC 電路決定。

諧振配置的柵極電壓和漏極電流如圖 8 所示，光輸出功率如圖 9 所示。

圖 8. 使用諧振配置的柵極電壓（紅色）和漏極電流（綠色）。

圖 9. 使用諧振配置的光輸出功率

正如這些圖所示，柵極驅動的上升沿通過激光器啟動 C2 中存儲的能量的放電。值得注意的是，激光信號的脈沖寬度與柵極信號的下降沿無關。

與其雙沿方波對應相比，諧振設計具有幾個獨特的優勢：

1. LC 諧振允許具有明確定義的對稱性的更窄的脈沖——這對于LiDAR 來說尤其重要。

2. 元件和電路布線中的寄生串聯電感可用作 LC 諧振的一部分。不像在方波設計中那樣阻礙速度，而是可以調整總電感以獲得最佳性能。

3. 激光脈沖的能量只是輸入電壓的一個因素。在總能量至關重要的應用中，這可以實現精確控制，而無需考慮柵極驅動的時序。

所有這些優勢的代價是設計諧振條件的復雜性。必須對雜散電感進行建模，其中包含影響整體性能的重要因素的組件和走線的物理定位和布局。一種有助于設計這些電路的有用工具是ROHM Semiconductor 的在線電路模擬器，其中包括預填充的驅動器拓撲。

作為雜散電感影響的示例，使用增加的 L2 項重復圖 7 至圖 9 的仿真，以查看光輸出如何受到影響。此外，如圖 10 所示，當 L2 從 3 nH 增加到 6 nH 時，峰值輸出功率降低了 26%，而脈沖寬度增加了近 50%。

圖 10.增加串聯電感 (L2) 的諧振配置的光輸出功率

對這些參數的敏感性通常需要提前對電路進行建模，并且很可能要進行多次迭代設計和測試。此外，在不需要短脈沖或首選可變脈沖寬度的應用中，無法利用諧振優勢。

選擇正確的拓撲以滿足您的LiDAR 要求

隨著 LiDAR 和類似的測距技術在當今世界變得越來越普遍，底層設備也必須不斷發展以滿足不斷增長的性能要求。同時，工程師必須了解可用于在任何特定應用中取得成功的不同設計方法和工具。

正如我們所討論的，單邊諧振電路通常為這些高速 GaN HEMT 開關應用提供改進的性能，但代價是增加了設計復雜性。如果您的應用不需要這種更高級別的復雜性，則雙沿方波電路拓撲提供了一種更簡單的解決方案。

審核編輯：湯梓紅