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(zhǔn)確測量反射的飛行時間來估算距離的原理。通過將發(fā)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(tǒng)進一步處理。LiDAR 的應(yīng)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(tǒng)的一些關(guān)鍵組件，然后展示主要電路并提供 GaN HEMT 的兩種不同設(shè)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(tǒng)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(chǎn)生的光束質(zhì)量對于 LiDAR 系統(tǒng)的分辨率至關(guān)重要。如圖 1 所示，通過使用高功率、銳利的發(fā)射區(qū)域設(shè)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(dǎo)體開關(guān)

要為 LiDAR 產(chǎn)生光脈沖，這些激光器必須由半導(dǎo)體開關(guān)驅(qū)動。同樣，開關(guān)的質(zhì)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(guān)損耗為特征。

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

圖 2. 與傳統(tǒng)硅晶體管相比，HEMT 開關(guān)損耗。

對于包括 LiDAR 在內(nèi)的高功率應(yīng)用，GaN HEMT 器件可用于支持各種系統(tǒng)工作電壓和功率水平。例如，ROHM Semiconductor 的 GaN HEMT 產(chǎn)品組合包括 150 V 和 650 V 型號。

HEMT柵極驅(qū)動器

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

圖 3.為 HEMT 電路使用專門的高速柵極驅(qū)動器 IC。

這些驅(qū)動器專門設(shè)計用于提供適當(dāng)?shù)钠秒妷汉退俣纫赃B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(qū)動和生成輸出光脈沖的優(yōu)化部件構(gòu)建LiDAR 系統(tǒng)可確保最終輸出圖像具有更高的分辨率。然而，特定應(yīng)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(lián)開關(guān)控制電流，如圖 4 的仿真示意圖所示。

圖 4. 使用方波 HEMT 驅(qū)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(dāng) U1 的柵極驅(qū)動為高電平時，激光器打開，當(dāng)驅(qū)動為低電平時，激光器關(guān)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(qū)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(qū)動器的光輸出功率。

雖然這種類型的驅(qū)動器可以輕松實現(xiàn)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(dāng)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(lián)電感。

2. 脈沖形狀是不對稱的，開啟和關(guān)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(qū)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(lián)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(qū)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?zé)o關(guān)。

與其雙沿方波對應(yīng)相比，諧振設(shè)計具有幾個獨特的優(yōu)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(lián)電感可用作 LC 諧振的一部分。不像在方波設(shè)計中那樣阻礙速度，而是可以調(diào)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(guān)重要的應(yīng)用中，這可以實現(xiàn)精確控制，而無需考慮柵極驅(qū)動的時序。

所有這些優(yōu)勢的代價是設(shè)計諧振條件的復(fù)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(shè)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(yù)填充的驅(qū)動器拓撲。

作為雜散電感影響的示例，使用增加的 L2 項重復(fù)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(dāng) 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(lián)電感 (L2) 的諧振配置的光輸出功率

對這些參數(shù)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(shè)計和測試。此外，在不需要短脈沖或首選可變脈沖寬度的應(yīng)用中，無法利用諧振優(yōu)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(shù)在當(dāng)今世界變得越來越普遍，底層設(shè)備也必須不斷發(fā)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(yīng)用中取得成功的不同設(shè)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(guān)應(yīng)用提供改進的性能，但代價是增加了設(shè)計復(fù)雜性。如果您的應(yīng)用不需要這種更高級別的復(fù)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