作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

激光雷達(dá) (LiDAR) 系統(tǒng)已成為汽車、自動(dòng)導(dǎo)引車 (AGV) 甚至掃地機(jī)器人“觀察”周圍環(huán)境的首選方法。無人機(jī)和飛行高度更高的飛機(jī)也會使用激光雷達(dá)導(dǎo)航并用它來繪制距離更遠(yuǎn)的地形圖。

盡管對激光雷達(dá)進(jìn)行了深入研究，但設(shè)計(jì)人員在選擇柵極驅(qū)動(dòng)器、柵極開關(guān) FET 和激光二極管等產(chǎn)生光脈沖所需的關(guān)鍵元件時(shí)必須非常謹(jǐn)慎。

本文先對激光雷達(dá)提供一個(gè)概覽，然后介紹了關(guān)鍵電子光學(xué)元件的實(shí)例，并展示這些元件如何協(xié)同工作以產(chǎn)生必要的脈沖。

激光雷達(dá)工作原理

激光雷達(dá)的工作原理是連續(xù)發(fā)出中等功率的短光束脈沖，然后捕捉其反射。它通過測量飛行時(shí)間 (ToF) 來建立周圍環(huán)境的點(diǎn)云，從而呈現(xiàn)一個(gè)三維 (3D) 視角（圖 1）。許多系統(tǒng)使用多個(gè)激光二極管組成矩陣，以擴(kuò)大覆蓋范圍。

圖 1：激光雷達(dá)可建立點(diǎn)云對周圍環(huán)境進(jìn)行 3D 渲染。（圖片來源：Blickfeld GmbH）

應(yīng)用決定了激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能。與用于汽車的系統(tǒng)相比，用于移動(dòng)緩慢、受區(qū)域限制的掃地機(jī)器人或 AGV 的系統(tǒng)對范圍和角度分辨率的要求要寬松得多，因?yàn)槠嚤仨氁愿斓乃俣刃旭?，并對車輛、騎行者或行人做出反應(yīng)。汽車應(yīng)用的最高性能目標(biāo)通常是 100 米至 200 米的有效范圍，角度分辨率 0.1°。

雙軸機(jī)電振鏡掃描整個(gè)圖像區(qū)域的激光閃光，以獲得精確的點(diǎn)云。由于激光雷達(dá)系統(tǒng)可以測量每個(gè)發(fā)射脈沖及其相關(guān)回波的 ToF，因此可以建立具有深度透視的 3D 圖像，以便車輛在周圍環(huán)境進(jìn)行精確導(dǎo)航。

激光雷達(dá)核心的電子光學(xué)路徑

一個(gè)完整的激光雷達(dá)系統(tǒng)（如 AGV 中使用的系統(tǒng)）需要各種相互連接的光學(xué)、模擬、處理器和機(jī)械模塊。該系統(tǒng)的核心是電子光學(xué)路徑，它由一個(gè)激光光源和一個(gè)同地協(xié)作的光學(xué)接收器組成（圖 2）。

圖 2：電光信號路徑和相關(guān)組件是激光雷達(dá)系統(tǒng)的核心（右側(cè)中排）。（圖片來源：ROHM）

產(chǎn)生光脈沖流的光源信號路徑由專用單片機(jī) (MCU) 控制，并決定所需的光脈沖重復(fù)率和寬度。光源路徑有三個(gè)關(guān)鍵功能要素：

• 柵極驅(qū)動(dòng)器提供具有快速上升和下降時(shí)間的高速脈沖，以打開和關(guān)閉柵極開關(guān)。
• 柵極開關(guān) FET 的開關(guān)非常靈敏，可控制激光二極管的電流。
• 激光二極管以所需波長產(chǎn)生獨(dú)立、不重疊的光脈沖。

選擇和集成這些組件需要了解電氣問題以及光學(xué)特性，如視場、激光二極管功率和波長角靈敏度以及光信噪比 (SNR)。先進(jìn)的軟件算法可以克服電子光學(xué)信號路徑中的一些限制和所感應(yīng)環(huán)境的挑戰(zhàn)。不過慎重起見，工程設(shè)計(jì)應(yīng)該選擇針對激光雷達(dá)優(yōu)化過的組件，而不是假定這些算法可以彌補(bǔ)缺陷。

通過研究上述每種功能的代表性組件，可以了解經(jīng)過激光雷達(dá)優(yōu)化的器件是如何應(yīng)對諸多挑戰(zhàn)的：

柵極驅(qū)動(dòng)器

[ROHM Semiconductor] [BD2311NVX-LBE2]（圖 3）是一款單通道、超高速 GaN 柵極驅(qū)動(dòng)器，非常適合 AGV 等工業(yè)應(yīng)用。它提供了必要的驅(qū)動(dòng)電流與電壓的組合。它采用 6 引腳封裝，尺寸僅為 2.0 mm × 2.0 mm × 0.6 mm，輸出電流高達(dá) 5.4 A，供電電壓范圍為 4.5 V 至 5.5 V。

圖 3：BD2311NVX-LBE2 單通道柵極驅(qū)動(dòng)器提供了必要的驅(qū)動(dòng)電流與電壓的組合，可精確控制激光雷達(dá)柵極開關(guān)。（圖片來源：ROHM）

BD2311NVX-LBE2 可以驅(qū)動(dòng)氮化鎵高電子遷移率晶體管 (HEMT) 和其他開關(guān)器件，輸出脈沖很窄，因此有助于滿足激光雷達(dá)的遠(yuǎn)距離和高精度需要。這些脈沖相關(guān)參數(shù)包括：1.25 納秒 (ns) 的最小輸入脈寬、0.65 ns 的典型上升時(shí)間和 0.70 ns 的典型下降時(shí)間，所有這些參數(shù)均為使用 220 皮法 (pF) 負(fù)載時(shí)測得。導(dǎo)通和斷開延遲時(shí)間分別為 3.4 ns 和 3.0 ns。

柵極開關(guān) FET

柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出端連接到電流控制開關(guān)裝置的控制輸入端。該器件必須根據(jù)柵極驅(qū)動(dòng)器的指示，在導(dǎo)通和斷開狀態(tài)之間快速切換，并能處理相對較大的電流值，通常為 50 A 至 100 A。

[EPC 的] [EPC2252] 是一款汽車級 (AEC-Q101) N 溝道增強(qiáng)型氮化鎵功率晶體管，可滿足所需的性能水平。它具有極高的電子遷移率和低溫度系數(shù)，導(dǎo)通電阻 (R DS(ON) ) 極低，其橫向器件結(jié)構(gòu)和多數(shù)載流子二極管可提供極低的總柵極電荷 (Q G ) 和零源漏恢復(fù)電荷 (Q RR )。因此，該器件可以處理開關(guān)頻率較高和低導(dǎo)通時(shí)間較為有利的任務(wù)，以及主要損耗為導(dǎo)通損耗的場合。

EPC2252 的漏源電壓 ( VDS ) 為 80 V，RDS(ON) 最大值為 11 毫歐 (mΩ)，連續(xù)漏極電流 (I D ) 為 8.2 A，這些數(shù)據(jù)應(yīng)能說明部分問題。它易于使用，只需要 5 V 的導(dǎo)通柵極驅(qū)動(dòng)電壓，關(guān)斷狀態(tài)為 0 V，而且不需要負(fù)電壓。這簡化了對驅(qū)動(dòng)器和電源軌的考慮。

由于其設(shè)計(jì)和芯片排列，柵極開關(guān)可以處理 75 A 的 I D （TPULSE 為 10 微秒 (μs)），并封裝為一個(gè) 1.5 mm × 1.5 mm 的鈍化芯片，帶有九個(gè)接觸焊接凸點(diǎn)（圖 4）。這減少了封裝和芯片寄生，如只有 440 pF（典型值）的輸入電容 (C ISS )，因此支持需進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換的高速脈沖性能。

圖 4：[EPC2252] 氮化鎵功率晶體管為大電流激光二極管提供所需的電流切換能力，封裝尺寸為 1.5 × 1.5 mm。（圖片來源：EPC）

激光二極管

這是光路徑中的最后一個(gè)元件，起著電子光學(xué)變送器的作用。與作為被動(dòng)設(shè)備的攝像頭不同，激光二極管是主動(dòng)光源，會發(fā)出光輻射，在某些情況下會對人眼造成傷害。最大允許強(qiáng)度由 EN 60825-1:2014 之類“激光產(chǎn)品安全”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

激光雷達(dá)系統(tǒng)的安全等級取決于其功率、發(fā)散角、脈沖持續(xù)時(shí)間、曝光方向和波長。大多數(shù)系統(tǒng)使用 905 納米 (nm) 或 1550 nm 波長，每種波長的激光器和合適的光電二極管之間都具有可接受的效率和波長兼容性。一般來說，1550 nm 激光在一定的安全界限內(nèi)可安全地發(fā)射比 905 nm 激光更大的功率。不過，905 nm 激光器因其成本效益較高而廣受歡迎。

ROHM [RLD90QZW3-00A]是波長為 905 nm 的脈沖激光二極管，針對激光雷達(dá)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。它可在 23 A 的正向電流 (I F ) 下支持 75 W 的輸出功率，并在光束寬度（發(fā)散）、光束波長窄度和光束穩(wěn)定性這三個(gè)參數(shù)上提供出色的性能。

光束發(fā)散是指由于衍射造成的光束擴(kuò)散。RLD90QZW3-00A 規(guī)定垂直面 ( θ⊥ ) 的典型值為 25°，平行面 (θ/ / ) 的典型值為 12°（圖 5）。其激光輸出溫度穩(wěn)定性為每攝氏度 0.15 nm (nm/°C)。

圖 5：RLD90QZW3-00A 脈沖激光二極管在垂直面（左）和平行面（右）上的典型光束發(fā)散值分別為 25° 和 12°。（圖片來源：ROHM）

這種激光二極管輸出波長的窄發(fā)光寬度和穩(wěn)定性對提高系統(tǒng)性能也至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冊试S使用窄波長光學(xué)帶通濾波器。ROHM 表示，該二極管的 225 微米 (μm) 范圍比現(xiàn)有的同類器件小 22%，因此支持更高的分辨率和更寬的傳感范圍，同時(shí)具有高光束銳度、窄發(fā)射率和高光密度。

這兩個(gè)因素提高了光信噪比，從而能夠精確地感知和評估遠(yuǎn)距離的物體。點(diǎn)云對比圖像顯示了這些嚴(yán)格而穩(wěn)定的規(guī)格對分辨率的積極影響（圖 6）。

圖 6：RLD90QZW3-00A 脈沖激光二極管輸出的穩(wěn)定性和一致性提高了信噪比和點(diǎn)云分辨率。（圖片來源：ROHM）

結(jié)語

激光雷達(dá)廣泛用于捕捉周圍環(huán)境的 3D 視角和繪制地圖。激光雷達(dá)系統(tǒng)的核心是電子和電子光學(xué)組件，這些組件集成了可行系統(tǒng)所需的復(fù)雜功能。對于光源功能，柵極驅(qū)動(dòng)器、柵極開關(guān) FET 和激光二極管必須在電壓、電流、速度和穩(wěn)定性方面兼容，才能確保最佳性能。

審核編輯 黃宇