适用于自主驾驶车辆LiDAR的GaN FET快速指南

来源：DigiKey
作者：Kenton Williston

激光探测及测距 (LiDAR) 的应用包括自主驾驶车辆、无人机、仓库自动化和精准农业。在这些应用中，大多都有人类参与其中，因此人们担心 LiDAR 激光可能会对眼睛造成伤害。为防止此类伤害，汽车 LiDAR 系统必须符合 IEC 60825-1 1 类安全要求，同时发射功率不超过 200 W。

通用解决方案一般采用 1 至 2 ns 脉冲，重复频率为 1 至 2 MHz。这很有挑战性，因为需要使用微控制器或其他大型数字集成电路 (IC) 来控制激光二极管，但又不能直接驱动它，这样就必须增加一个栅极驱动电路。此外，还必须优化栅极驱动器的设计，确保 LiDAR 系统的性能适用于汽车工程师协会 (SAE) 3 级及以上级别的高级辅助驾驶系统 (ADAS)。

使用分立元器件来设计符合 IEC 60825-1 安全要求的大功率、高性能栅极驱动器既复杂又耗时，可能还会增加成本，延长产品上市时间。为了应对这些挑战，设计人员可以采用集成式高速栅极驱动器 IC，将其与氮化镓 (GaN) 功率场效应晶体管 (FET) 搭配使用。使用集成式解决方案不仅能最大限度地减少降低驱动信号完整性的寄生效应，尤其是在大电流激光功率回路中，而且还能将大电流驱动器安装在靠近电源开关的位置，从而尽可能减少高频开关噪声的影响。

本文简要介绍了 LiDAR，还讨论了相关应用和安全要求，然后以大电流激光功率回路为重点，回顾了设计汽车 LiDAR 所面临的挑战。随后介绍了 Efficient Power Conversion (EPC)、Excelitas Technologies、ams OSRAM 和 Texas Instruments 的 LiDAR 解决方案，其中包括 GaN 功率 FET、栅极驱动器和激光二极管，以及评估板和用于加快开发过程的实施指导。

LiDAR 的工作原理

LiDAR 系统可测量激光束脉冲的往返飞行时间 (ToF) (Δt)，以此来计算与物体的距离（图 1）。距离 (d) 的计算公式为 d = c * Δt/2，其中 c 表示空气中的光速。短脉冲持续时间是 LiDAR 的关键参数之一。鉴于光速约为 30 cm/ns，那么 1 ns LiDAR 脉冲的长度约为 30 cm。这将可分辨的最小特征尺寸下限设定为 15 cm 左右。因此，LiDAR 脉冲必须限制在几纳秒以内，才能对人体尺度的环境产生有用的分辨率。


图 1：LiDAR 利用 ToF 测量来探测物体并确定其距离。（图片来源：ams OSRAM）

脉冲宽度、峰值功率、重复频率和占空比是 LiDAR 的主要技术参数。例如，LiDAR 系统中使用的典型激光二极管可能具有 100 ns 或更小的脉冲宽度、高于 100 W 的峰值功率、1 kHz 或更高的重复频率以及 0.2% 的占空比。峰值功率越高，LiDAR 的探测距离就越长，但同时还要权衡散热性能。对于 100 ns 脉冲宽度，平均占空比通常限制在 0.1% 至 0.2%，以防止激光器过热。更短的脉冲宽度对于提高 LiDAR 的安全性也有帮助。

IEC 60825-1 以最大允许照射量 (MPE) 定义激光安全性，该参数表示造成眼损伤的概率可忽略不计的光源的最高能量密度或功率。为了达到可忽略不计的程度，MPE 功率水平被限制在有 50% 的概率造成眼损伤的能量密度的约 10% 内。在功率水平不变的情况下，脉冲宽度越短，平均能量密度就越低，也就越安全。

单次 LiDAR ToF 测量可以确定与物体的距离，而数千或数百万次 LiDAR ToF 测量则可用于创建一个三维 (3-D) 点云（图 2）。点云集合了存储着大量信息的数据点，我们将这些数据点称为成分。每个成分都包含一个描述属性的值。这些成分可能包括 x、y 和 z 坐标，以及强度、颜色和时间信息（用于测量物体的移动）。LiDAR 点云可创建目标区域的实时三维模型。


图 2：LiDAR 系统结合大量 ToF 测量数据，创建目标区域的三维点云和图像。（图片来源：EPC）

使用 GaN FET 为 LiDAR 激光器供电

GaN FET 的开关速度比硅 FET 快得多，因此适用于需要极窄脉冲宽度的 LiDAR 应用。例如，EPC 的 EPC2252 就是一款通过 AEC-Q101 汽车级标准鉴定的 80 V GaN FET，电流脉冲可达 75 A（图 3）。EPC2252 的最大导通电阻 (RDS(on)) 为 11 mΩ，最大总栅极电荷 (Qg) 为 4.3 nC，漏极恢复电荷 (QRR) 为零。

IC 以裸片尺寸球栅阵列 (DSBGA) 的形式提供。这意味着钝化后的裸片直接固定到焊球上，无需进行任何其他形式的封装。因此，DSBGA 芯片与硅裸片尺寸相同，最大限度地降低了外形尺寸。在本例中，EPC2252 采用尺寸为 1.5 x 1.5 mm 的 9-DSBGA 封装。该产品从结点到电路板的热阻为 8.3 °C/W，因此适用于高密度系统。


图 3：EPC2252 GaN FET 通过了 AEC-Q101 认证，适用于驱动汽车 LiDAR 系统中的激光二极管。（图片来源：EPC）

设计人员可以使用 EPC 的 EPC9179 开发板，通过在总脉冲宽度为 2 至 3 ns 的 LiDAR 系统中部署 EPC2252 来实现快速启动（图 4）。EPC9179 包括一个来自 Texas Instruments 的 LMG1020 栅极驱动器，可由外部信号或板载窄脉冲发生器（拥有亚纳秒级精度）控制。


图 4：图示为 EPC9179 演示板，其中包含 EPC2252 GaN FET 和其他关键元器件。（图片来源：EPC）

开发板配备由 5 x 5 mm 分离式内插器组成的 EPC9989 内插器板（图 5）。这些器件与许多常见的表面贴装激光二极管（如 SMD 和 MMCX）的安装基底面以及为适应射频连接器和各种其他负载而设计的模式相对应。


图 5：EPC9989 内插器板由多个内插器组成，例如 SMD 激光内插器（右上角），该器件可掰断，以与 EPC9179 演示板配合使用。（图片来源：EPC）

Excelitas Technologies 的 TPGAD1S09H 脉冲激光器（图 6）的发射波长为 905 nm，可与 EPC9989 插接器板配合使用。该激光二极管采用安装在无引线层压载体上的多层单片式芯片，具有出色的热性能，波长温度系数 (Δλ/ΔT) 为 0.25 nm/°C。这种量子阱激光器的上升和下降时间均小于 1 ns，并配有适当的驱动器。TPGAD1S09H 可用于表面贴装应用和混合集成。该器件可以平行或垂直于安装平面发光，并且环氧树脂封装成本低，适合量产。


图 6：TPGAD1S09H 脉冲激光器能产生极高峰值脉冲，并可平行或垂直于安装平面发光。（图片来源：Excelitas）

ams OSRAM 的 SPL S1L90A_3 A01（图 7）是另一个激光二极管的示例，该器件可与 EPC9989 内插器板配合使用。这款单通道 908 nm 激光模块可提供 1 至 100 ns 脉冲，峰值输出功率为 120 W。其工作温度范围为 -40 至 +105 °C，占空比为 0.2%，采用紧凑型 QFN 封装，尺寸为 2.0 x 2.3 x 0.69 mm。


图 7：SPL S1L90A_3 A01 激光二极管能产生 1 至 100 ns 脉冲，可与 EPC9989 内插器板配合使用。（图片来源：ams OSRAM）

对于需要极窄脉冲宽度的 LiDAR 系统，设计人员可以采用 Texas Instruments 的 LMG1025-Q1 单通道低压侧栅极驱动器，该器件具有 1.25 ns 的输出脉冲宽度，可让高强度 LiDAR 系统符合 IEC 60825-1 1 类安全要求。其脉冲宽度窄，开关速度快，脉宽失真度为 300 ps，能够在远距离上进行精确的 LiDAR ToF 测量。

2.9 ns 的传播延迟缩短了控制回路的响应时间，2 x 2 mm 的 QFN 封装最大限度地减少了寄生电感，从而支持高频 LiDAR 驱动电路中的大电流、低瞬时振荡开关。LMG1025-Q1EVM 是 LMG1025-Q1 的评估模块，该器件有一个位置，可容纳代表典型激光二极管的电阻负载，或用于在使用电阻负载进行驱动脉冲调谐后安装激光二极管（图 8）。


图 8：LMG1025-Q1EVM 演示板可容纳代表典型激光二极管的电阻负载，用于初始设置。（图片来源：Texas Instruments）

总结

设计人员面临的挑战日益严峻，所开发的汽车 LiDAR 系统不仅要提供具有厘米级分辨率的实时 ToF 测量，还要符合 IEC 60825-1 1 类安全要求。如前所述，GaN FET 可与各种激光二极管配合使用，产生高性能汽车 LiDAR 所需的纳秒级脉冲宽度和高峰值功率。