深度解讀激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的eToF激光驅(qū)動(dòng)器系列

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

高效功率轉(zhuǎn)換（EPC）宣布了用于激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的eToF激光驅(qū)動(dòng)器系列。新的氮化鎵（GaN）系列旨在為消費(fèi)類和工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)駕駛汽車和3D感測(cè)提供飛行時(shí)間（ToF）應(yīng)用。

EPC的新型激光雷達(dá)將設(shè)備驅(qū)動(dòng)器直接與基于GaN的激光器集成在一起。EPC首席執(zhí)行官Alex Lidow解釋說(shuō)，這種配置幾乎消除了兩個(gè)元件分開時(shí)存在的所有電感。這使EPC的新激光雷達(dá)能夠產(chǎn)生相對(duì)較快的脈沖，最終轉(zhuǎn)化為更高的分辨率。

他說(shuō)：“您對(duì)激光的擁抱越多越好。”

集成還可以減小傳感器/驅(qū)動(dòng)器組合的尺寸；新設(shè)備可以縮小到3平方毫米或小至1平方毫米。此外，根據(jù)Lidow所說(shuō)，EPC可以廉價(jià)出售它們。

“性能低于1美元的激光器/驅(qū)動(dòng)器，而100美元，200美元的性能如何？Lidow說(shuō)，他解釋了為什么他認(rèn)為OEM會(huì)發(fā)現(xiàn)增加EPC的新激光雷達(dá)設(shè)備將是微不足道的費(fèi)用，他解釋說(shuō)。

Lidow說(shuō)，EPC已經(jīng)銷售了數(shù)百萬(wàn)個(gè)用于機(jī)器人，自動(dòng)吸塵器，無(wú)人駕駛飛機(jī)和其他應(yīng)用的激光雷達(dá)。Lidow認(rèn)為，隨著新激光雷達(dá)性能的提高以及尺寸和成本的降低，新激光雷達(dá)將對(duì)智能手機(jī)，各種先進(jìn)車輛和其他產(chǎn)品的制造商產(chǎn)生吸引力。

包括攝像機(jī)。Lidow解釋說(shuō)，光學(xué)傳感器總是要花一點(diǎn)時(shí)間聚焦在移動(dòng)的物體上，并指出以激光速度找到物體的范圍是激光雷達(dá)的根本目的。這就是為什么他設(shè)想將攝像頭系統(tǒng)與激光雷達(dá)集成在一起。

Lidow強(qiáng)調(diào)了在激光雷達(dá)應(yīng)用中，如何以低成本引入這個(gè)新系列與MOSFET競(jìng)爭(zhēng)。所述EPC21601激光驅(qū)動(dòng)器集成了40 V，10甲FET具有集成柵極驅(qū)動(dòng)器和3.3邏輯電平輸入到單個(gè)芯片中。

激光雷達(dá)是一種使用脈沖激光測(cè)量物體之間距離的技術(shù)，通過(guò)獲取的信息可以獲得3D圖像。激光雷達(dá)技術(shù)可提供準(zhǔn)確性，廣域覆蓋以及對(duì)數(shù)據(jù)收集的全數(shù)字支持。

事實(shí)證明，采用GaN技術(shù)的FET可用作激光開關(guān)的驅(qū)動(dòng)器元件，可驅(qū)動(dòng)大電流和極短的脈沖。較短的脈沖寬度可提供更高的分辨率，而高脈沖電流可使激光雷達(dá)系統(tǒng)達(dá)到較遠(yuǎn)的距離。Lidow表示：“ GaN技術(shù)支持這兩個(gè)特性，使其非常適合激光雷達(dá)。”

激光雷達(dá)的飛行時(shí)間（ToF）
脈沖激光雷達(dá)技術(shù)用于長(zhǎng)距離，可直接測(cè)量光子經(jīng)過(guò)往返距離的時(shí)間，這稱為飛行時(shí)間。Lidow說(shuō)：“ ToF技術(shù)非常簡(jiǎn)單，它實(shí)質(zhì)上測(cè)量了往返時(shí)間?！?/p>

在這些應(yīng)用中，當(dāng)您必須靠近物體時(shí)，激光信號(hào)的脈沖寬度就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題?！肮饷咳{秒傳播一米，因此，如果脈沖寬度為一納秒，那么您實(shí)際上無(wú)法測(cè)量比一米還要近的物體，除非您要查看的是輸出與輸出之間的相位差。輸入。因此，基本上，您查看輸出脈沖，然后從返回脈沖中減去輸出脈沖。因此，人們?yōu)榱碎g接測(cè)量飛行距離而要做的就是使用大量的光功率。他們用100兆赫量級(jí)的脈沖流做到這一點(diǎn)。他們測(cè)量了積分脈沖流的相位差，告訴您物體有多遠(yuǎn)。” Lidow說(shuō)。

他補(bǔ)充說(shuō)：“如果您正在尋找距離幾英尺遠(yuǎn)的地方，則只需使用垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL），就只需大約1到10安培的電流。而且，如果您想走得更遠(yuǎn)，由于使用的是非定向光脈沖，因此功率要求會(huì)越來(lái)越大。因此，間接飛行時(shí)間往往是在近距離應(yīng)用中進(jìn)行操作的一種極好的機(jī)制，而不是對(duì)遠(yuǎn)處物體的有效機(jī)制?！?/p>

圖1：脈沖寬度和幅度（來(lái)源：EPC）。

激光雷達(dá)
的eToF EPC21601是一款激光驅(qū)動(dòng)器，使用3.3 V邏輯在高達(dá)200 MHz的高頻下進(jìn)行控制，以調(diào)制高達(dá)10 A的激光驅(qū)動(dòng)電流。接通和斷開時(shí)間分別為410 ps和320 ps。EPC21601是采用EPC專有的GaN IC技術(shù)的單芯片外加eGaN FET驅(qū)動(dòng)器，芯片尺寸為1.5 mm x 1.0 mm的BGA尺寸。

它是一種40伏，10安培的FET器件，旨在通過(guò)3.3伏邏輯電平輸入來(lái)驅(qū)動(dòng)VCSEL?！笆褂脙蓚€(gè)單獨(dú)的芯片而不是一個(gè)芯片時(shí)要考慮的事情之一是，兩個(gè)芯片在驅(qū)動(dòng)器和功率FET之間的電感約為50 Pico Henry。而且，如果您有50 Pico Henry的電感，您的速度將減半。因此，即使您降低到10或20 Pico Henry，這也很重要。驅(qū)動(dòng)器和功率FET的集成將公共源電感減小到只有幾個(gè)Pico Henry，從而改善了脈沖的上升和下降時(shí)間，并因此改善了非常接近的物體的分辨率?！?Lidow說(shuō)。

圖2：EPC21601的時(shí)序性能（來(lái)源：EPC）。單擊以放大圖像。

EPC21601采用芯片級(jí)封裝（CSP）提供，易于組裝，節(jié)省了PCB空間，并提高了整體效率。Lidow說(shuō)：“該產(chǎn)品系列將使ToF能夠在更廣泛的最終用戶應(yīng)用中更快地采用?！彼a(bǔ)充說(shuō)：“超聲波傳感器的檢測(cè)距離不能小于30厘米。這是它們的局限性，與工作頻率有關(guān)。因此，您可以在一個(gè)短距離內(nèi)替換超聲傳感器和攝像頭芯片。”EPC21601專為高速，短脈沖操作而設(shè)計(jì)，同時(shí)最大程度地減少了所需的外部零件數(shù)量。

圖3：EPC21601 – 200 MHz的時(shí)序性能（來(lái)源：EPC）。點(diǎn)擊放大圖片

Lidow通過(guò)圖2和3展示了一系列測(cè)試如何確認(rèn)新設(shè)備在高速應(yīng)用中的有效性?！霸趫D2中，有一個(gè)10安培的脈沖串，高20伏，寬9納秒，接通時(shí)間約為400皮秒，斷開時(shí)間約為300皮秒。而且通斷時(shí)間受電感限制。在這種情況下，可以解決非常短的距離。圖3顯示了200兆赫茲的脈沖序列。因此，在這種情況下，我們有一個(gè)1.4納秒寬的脈沖，仍然有10安培和20伏特。從圖中可以看到，這里的關(guān)閉時(shí)間是245皮秒乘以300皮秒。” Lidow說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)，根據(jù)圖片2和3，新的IC可以使用ToF應(yīng)用中使用的任何激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)非?？焖俚牟僮?。

圖4：演示板（來(lái)源：EPC）。單擊以放大圖像。

圖5：EPC9154開發(fā)板的框圖（來(lái)源：EPC）。單擊以放大圖像。

Lidow說(shuō)，還有諸如EPC9154的開發(fā)板，它具有EPC21601 eToF激光驅(qū)動(dòng)器IC，主要用于驅(qū)動(dòng)短脈沖大電流激光二極管。功能包括最小脈沖寬度<2 ns，峰值電流> 10 A和總線電壓30 V（圖4-6）。EPC9154能夠驅(qū)動(dòng)帶有電流脈沖的激光二極管，從而產(chǎn)生數(shù)十瓦光功率的峰值功率?？紤]到設(shè)計(jì)激光雷達(dá)應(yīng)用的激光二極管，但是激光封裝的熱限制意味著必須遵守脈沖寬度，占空比和脈沖重復(fù)頻率限制。

圖6：連接和測(cè)量設(shè)置（來(lái)源：EPC）。單擊以放大圖像。

正如Lidow指出的那樣，由于特定原因，可能會(huì)影響性能的開關(guān)損耗實(shí)際上并不會(huì)顯著影響散熱問(wèn)題，因?yàn)榧す馄魇窃谕话l(fā)模式下使用的。因此，它會(huì)周期性地發(fā)出200兆赫茲的脈沖流，可能以100赫茲或10赫茲的速度，這取決于您要實(shí)現(xiàn)的幀速率。而且在每種情況下，激光都是熱極限，” Lidow說(shuō)。

他補(bǔ)充說(shuō)：“作為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，我看到了MOSFET。硅MOSFET的成本非常低，人們對(duì)此非常熟悉。但是高頻和功率密度的出現(xiàn)將在應(yīng)用中受到限制。例如，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，我們現(xiàn)在看到GaN的大幅增加，因?yàn)閷?duì)于低電壓，電機(jī)的頻率從20kHz上升到100kHz。對(duì)于新一代汽車，它們需要4或5千瓦，而最好的MOSFET需要4千瓦，因此需要具有MOSFET的7相降壓轉(zhuǎn)換器。GaN可以分四個(gè)階段完成，從而節(jié)省了空間并提高了效率?！?/p>

消費(fèi)電子行業(yè)將受益于這種新型的eToF，既包括豪華機(jī)器人，也包括其他較便宜的機(jī)器人。所有人都裝有激光雷達(dá)，以確保它們不會(huì)撞到錯(cuò)誤或準(zhǔn)確知道要在哪里檢測(cè)位置。無(wú)人機(jī)將看到這些解決方案的使用，將增加其在地面識(shí)別應(yīng)用中的市場(chǎng)。

— Brian Santo對(duì)本文做出了貢獻(xiàn)。
編輯：hfy