【編者按】麥姆斯咨詢整理了宜普電源轉(zhuǎn)換公司（EPC）首席執(zhí)行官Alex Lidow公開(kāi)發(fā)表的關(guān)于GaN功率器件原理、應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)的理解，為讀者奉獻(xiàn)一系列文章。在本系列文章中，將討論一些新興應(yīng)用如何利用GaN功率器件的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)終端產(chǎn)品差異化。

如何使用eGaN FET實(shí)現(xiàn)看得更遠(yuǎn)、更清晰、成本更低的超高速、高功率激光驅(qū)動(dòng)器

在本系列的第一篇文章中，討論了低壓硅上氮化鎵（GaN-on-Silicon）功率器件如何實(shí)現(xiàn)許多新應(yīng)用，如激光雷達(dá)（LiDAR）、包絡(luò)跟蹤和無(wú)線充電。在這篇文章中，我們將更詳細(xì)地探討其中一項(xiàng)先進(jìn)應(yīng)用：激光雷達(dá)。文中將展示如何使用GaN材料來(lái)制造看得更遠(yuǎn)、分辨率更高、成本更低的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

激光雷達(dá)應(yīng)用對(duì)激光的需求

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，激光雷達(dá)（LiDAR）屬于一種遙感技術(shù)，它將脈沖光從傳感器中發(fā)射出去，通過(guò)測(cè)量反射回來(lái)的時(shí)間確定物體的位置和距離。如果用激光作為光源，即使在距離遠(yuǎn)的地方，也能測(cè)量出小光斑的距離。當(dāng)與光學(xué)操縱系統(tǒng)結(jié)合時(shí)，則通過(guò)對(duì)物體的掃描實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，并在三維空間中映射出探測(cè)對(duì)象，如圖1所示。

圖1：激光雷達(dá)工作原理示意圖

對(duì)于自動(dòng)駕駛和輔助駕駛等應(yīng)用，激光雷達(dá)系統(tǒng)充當(dāng)車輛的“眼睛”，需要短至幾納秒甚至更短時(shí)間的脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的距離分辨率。脈沖通常由激光二極管產(chǎn)生。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)，需要很高的激光峰值功率，這意味著激光二極管電流峰值為10~100A。目前的技術(shù)離不開(kāi)復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)和昂貴的稀有半導(dǎo)體。

GaN用于激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)

用于激光雷達(dá)的典型脈沖激光驅(qū)動(dòng)器一般使用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)與激光、電源串聯(lián)，其性能受雜散電感和半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)速度的限制。在過(guò)去的十年中，具有成本效益的氮化鎵功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GaN FET）和集成電路（IC）已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，其電感和開(kāi)關(guān)性能指標(biāo)（FOMs）相比同類硅基金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）高10倍。

隨著增強(qiáng)型氮化鎵功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（eGaN FET）和IC的出現(xiàn)，激光雷達(dá)所要求的性能變得簡(jiǎn)單可行，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)尺寸減小和成本降低的目的。三款用于激光雷達(dá)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管有EPC2036、EPC2016C和EPC2001C，如圖2所示。與過(guò)去的硅基MOSFET技術(shù)相比，eGaN FET的性能有了大幅提高。在相同的峰值電流水平，后者的轉(zhuǎn)換速度更快，確保電流高于100A，脈沖寬度小于2ns，不過(guò)目前無(wú)法同時(shí)滿足！GaN的超高性能，電感極低的芯片級(jí)封裝使eGaN FET成為脈沖激光驅(qū)動(dòng)器的理想開(kāi)關(guān)。

圖2：最受激光雷達(dá)系統(tǒng)歡迎三款的eGaN FET：EPC2036、EPC201C和EPC2001C

如何實(shí)現(xiàn)超高速、大功率激光驅(qū)動(dòng)器

最簡(jiǎn)單常見(jiàn)的激光驅(qū)動(dòng)器是諧振電容放電驅(qū)動(dòng)器，如圖3所示。Q1通過(guò)雜散電感L1和激光器DL對(duì)電容C1諧振放電。為了克服電感L1，達(dá)到所需的快速電流上升時(shí)間，C1被充電到相對(duì)較高的電壓（通常為25V~150V）。Q1必須能夠承受該電壓，傳導(dǎo)峰值電流，并在1ns或更少的時(shí)間內(nèi)打開(kāi)。eGaN FET是目前唯一能夠滿足上述要求且性價(jià)比高的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。

圖3：激光驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵波形簡(jiǎn)單示意圖

激光驅(qū)動(dòng)器EPC9126和EPC9126 HC演示系統(tǒng)采用EPC功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中推薦的基本最優(yōu)布局原則，以達(dá)到電感最小化。EPC9126配備了EPC2016C，可產(chǎn)生35個(gè)寬度小于4ns的脈沖，形成三結(jié)激光器。EPC9126 HC能產(chǎn)生電流高至65A、寬度小于8ns的脈沖。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置關(guān)鍵波形傳感功能，并可以容納多組激光器。

圖4：EPC9126激光驅(qū)動(dòng)器演示版以及波形測(cè)量示意圖

為了獲得最佳性能，印刷電路板（PCB）可以根據(jù)激光器進(jìn)行優(yōu)化，并與高性能柵極驅(qū)動(dòng)器（如德州儀器的LMG1020）配合。使用低電感表面貼裝激光器，如Excelitas公司的TPGAD1S09H，EPC2016C可以實(shí)現(xiàn)26A、1.8ns的脈沖（圖5）。對(duì)于極高峰值功率（>4kW），200V的EPC2047的脈沖電流額定值為160A，用相同的驅(qū)動(dòng)器和激光器可實(shí)現(xiàn)8ns、155A的脈沖（圖6）。

圖5：EPC2016C搭配德州儀器驅(qū)動(dòng)器LMG1020和Excelitas表面貼裝激光器TPGAD1S09H

圖6：EPC2047搭配德州儀器驅(qū)動(dòng)器LMG1020和Excelitas表面貼裝激光器TPGAD1S09H

已通過(guò)車規(guī)級(jí)認(rèn)證

對(duì)于汽車激光雷達(dá)應(yīng)用，EPC已經(jīng)發(fā)布通過(guò)AEC-Q101認(rèn)證的幾款產(chǎn)品，其中EPC2202在額定電壓為80V時(shí)脈沖電流為75A，EPC2212在額定電壓為100V時(shí)脈沖電流為75A，EPC2203在額定電壓為80V時(shí)脈沖電流為17A。EPC2202、EPC2212與EPC2016C的面積相同，EPC2203與EPC2036的面積相同。此外，還有更多為激光雷達(dá)設(shè)計(jì)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管和IC正在進(jìn)行車規(guī)級(jí)認(rèn)證。

結(jié)論

GaN功率晶體管的卓越性能為激光驅(qū)動(dòng)器帶來(lái)了突破性進(jìn)展。在幾平方毫米面積上產(chǎn)生幾納秒的大電流脈沖，提供數(shù)百瓦的功率，令人驚嘆！這為激光雷達(dá)行業(yè)里倡導(dǎo)的價(jià)格適中、尺寸更小、性能更高的技術(shù)革命注入了“能量”！