適用于自主駕駛車輛 LiDAR 的 GaN FET 快速指南

作者：Kenton Williston

激光探測及測距 (LiDAR) 的應用包括自主駕駛車輛、無人機、倉庫自動化和精準農業。在這些應用中，大多都有人類參與其中，因此人們擔心 LiDAR 激光可能會對眼睛造成傷害。為防止此類傷害，汽車 LiDAR 系統必須符合 IEC 60825-1 1 類安全要求，同時發射功率不超過 200 W。

通用解決方案一般采用 1 至 2 ns 脈沖，重復頻率為 1 至 2 MHz。這很有挑戰性，因為需要使用微控制器或其他大型數字集成電路 (IC) 來控制激光二極管，但又不能直接驅動它，這樣就必須增加一個柵極驅動電路。此外，還必須優化柵極驅動器的設計，確保 LiDAR 系統的性能適用于汽車工程師協會 (SAE) 3 級及以上級別的高級輔助駕駛系統 (ADAS)。

使用分立元器件來設計符合 IEC 60825-1 安全要求的大功率、高性能柵極驅動器既復雜又耗時，可能還會增加成本，延長產品上市時間。為了應對這些挑戰，設計人員可以采用集成式高速柵極驅動器 IC，將其與氮化鎵 (GaN) 功率場效應晶體管 (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動信號完整性的寄生效應，尤其是在大電流激光功率回路中，而且還能將大電流驅動器安裝在靠近電源開關的位置，從而盡可能減少高頻開關噪聲的影響。

本文簡要介紹了 LiDAR，還討論了相關應用和安全要求，然后以大電流激光功率回路為重點，回顧了設計汽車 LiDAR 所面臨的挑戰。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、柵極驅動器和激光二極管，以及評估板和用于加快開發過程的實施指導。

LiDAR 的工作原理

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

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

脈沖寬度、峰值功率、重復頻率和占空比是 LiDAR 的主要技術參數。例如，LiDAR 系統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 或更高的重復頻率以及 0.2% 的占空比。峰值功率越高，LiDAR 的探測距離就越長，但同時還要權衡散熱性能。對于 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，該參數表示造成眼損傷的概率可忽略不計的光源的最高能量密度或功率。為了達到可忽略不計的程度，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。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 測量可以確定與物體的距離，而數千或數百萬次 LiDAR ToF 測量則可用于創建一個三維 (3-D) 點云（圖 2）。點云集合了存儲著大量信息的數據點，我們將這些數據點稱為成分。每個成分都包含一個描述屬性的值。這些成分可能包括 x、y 和 z 坐標，以及強度、顏色和時間信息（用于測量物體的移動）。LiDAR 點云可創建目標區域的實時三維模型。

圖 2：LiDAR 系統結合大量 ToF 測量數據，創建目標區域的三維點云和圖像。（圖片來源：EPC）

使用 GaN FET 為 LiDAR 激光器供電

GaN FET 的開關速度比硅 FET 快得多，因此適用于需要極窄脈沖寬度的 LiDAR 應用。例如，EPC 的 [EPC2252]就是一款通過 AEC-Q101 汽車級標準鑒定的 80 V GaN FET，電流脈沖可達 75 A（圖 3）。EPC2252 的最大導通電阻 (RDS (on) ) 為 11 mΩ，最大總柵極電荷 ( Qg ) 為 4.3 nC，漏極恢復電荷 ( 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。該產品從結點到電路板的熱阻為 8.3 °C/W，因此適用于高密度系統。

圖 3：EPC2252 GaN FET 通過了 AEC-Q101 認證，適用于驅動汽車 LiDAR 系統中的激光二極管。（圖片來源：EPC）

設計人員可以使用 EPC 的 [EPC9179] 開發板，通過在總脈沖寬度為 2 至 3 ns 的 LiDAR 系統中部署 EPC2252 來實現快速啟動（圖 4）。EPC9179 包括一個來自 Texas Instruments 的 [LMG1020] 柵極驅動器，可由外部信號或板載窄脈沖發生器（擁有亞納秒級精度）控制。

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

開發板配備由 5 x 5 mm 分離式內插器組成的 EPC9989 內插器板（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射頻連接器和各種其他負載而設計的模式相對應。

圖 5：EPC9989 內插器板由多個內插器組成，例如 SMD 激光內插器（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）的發射波長為 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，波長溫度系數 (Δλ/ΔT) 為 0.25 nm/°C。這種量子阱激光器的上升和下降時間均小于 1 ns，并配有適當的驅動器。TPGAD1S09H 可用于表面貼裝應用和混合集成。該器件可以平行或垂直于安裝平面發光，并且環氧樹脂封裝成本低，適合量產。

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

ams OSRAM 的 [SPL S1L90A_3 A01]（圖 7）是另一個激光二極管的示例，該器件可與 EPC9989 內插器板配合使用。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 激光二極管能產生 1 至 100 ns 脈沖，可與 EPC9989 內插器板配合使用。（圖片來源：ams OSRAM）

對于需要極窄脈沖寬度的 LiDAR 系統，設計人員可以采用 Texas Instruments 的 [LMG1025-Q1]單通道低壓側柵極驅動器，該器件具有 1.25 ns 的輸出脈沖寬度，可讓高強度 LiDAR 系統符合 IEC 60825-1 1 類安全要求。其脈沖寬度窄，開關速度快，脈寬失真度為 300 ps，能夠在遠距離上進行精確的 LiDAR ToF 測量。

2.9 ns 的傳播延遲縮短了控制回路的響應時間，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 驅動電路中的大電流、低瞬時振蕩開關。[LMG1025-Q1EVM]是 LMG1025-Q1 的評估模塊，該器件有一個位置，可容納代表典型激光二極管的電阻負載，或用于在使用電阻負載進行驅動脈沖調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載，用于初始設置。（圖片來源：Texas Instruments）

總結

設計人員面臨的挑戰日益嚴峻，所開發的汽車 LiDAR 系統不僅要提供具有厘米級分辨率的實時 ToF 測量，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，產生高性能汽車 LiDAR 所需的納秒級脈沖寬度和高峰值功率。

審核編輯 黃宇