一組專為激光雷達（LiDAR）系統(tǒng)設計的eToF激光驅動器

據(jù)麥姆斯咨詢報道，宜普電源轉換公司（簡稱：宜普電源，英文：EPC）最近推出一組專為激光雷達（LiDAR）系統(tǒng)設計的eToF激光驅動器。這款新型氮化鎵（GaN）產(chǎn)品系列旨在普及飛行時間（ToF）在自動駕駛汽車、消費及工業(yè)3D傳感中的應用。

宜普電源為激光雷達開發(fā)的新型器件直接集成了驅動器與GaN基激光器，幾乎消除了將兩者分離設計而存在的電感問題。宜普電源首席執(zhí)行官Alex Lidow解釋說，這種設計使得宜普電源的新型激光驅動器能夠產(chǎn)生相對更快的脈沖，最終使激光雷達獲得更高的分辨率。

Alex Lidow說：“激光產(chǎn)生速度越快越好！”

集成設計也減小了傳感器和驅動器組合件的尺寸，新器件系列產(chǎn)品的面積只有3平方毫米，甚至1平方毫米。Lidow補充說，這樣會帶來價格的降低。

“一顆不足1美元的激光驅動器，相比于100美元、200美元的價格，會帶來什么改變？”Lidow如此解釋，OEM廠商會發(fā)現(xiàn)為宜普電源的新器件投入只是一筆微不足道的費用。

Lidow說到，在機器人、吸塵器、無人機及其它應用領域，宜普電源的產(chǎn)品已經(jīng)用于數(shù)百萬臺激光雷達。他相信，隨著新型激光雷達的性能提高、體積縮小、成本降低，將吸引智能手機、豪華汽車等更多其他終端廠商采用。

另外也包括攝像頭。攝像頭的光學傳感器需要一定時間對進入鏡頭的物體進行聚焦。以光速測定物距是激光雷達的基本功能，所以Lidow的設想是把激光雷達也集成到攝像頭系統(tǒng)中。

Lidow強調如何在激光雷達應用領域以低成本引入這個新器件系列，并與MOSFET競爭。宜普電源推出的激光驅動器EPC21601在單顆芯片上集成了40V、10A的場效應晶體管（FET）、柵極驅動器，采用3.3V邏輯電平輸入。

激光雷達是一種利用脈沖激光測量物體距離、并根據(jù)獲取的信息輸出三維圖像的技術。激光雷達技術提供精確、廣域覆蓋、全數(shù)字支持的數(shù)據(jù)收集功能。

采用GaN技術的FET，適合作為激光開關的驅動元件，能夠實現(xiàn)大電流和極短脈沖。窄脈沖寬度能提供更高的分辨率，而高脈沖電流能讓激光雷達系統(tǒng)探測更遠的距離。Lidow評論道：“GaN技術滿足上述兩種特性要求，因此它成為了激光雷達的理想選擇。”

激光雷達的飛行時間技術

脈沖式激光雷達技術用于遠距離直接測量光子往返的時間，進而計算出距離，這稱為“飛行時間法”。Lidow提出：“ToF技術其實非常簡單，本質上它就是測量光子往返時間。”

不過，如果對近距離的物體進行測量，激光信號的脈沖寬度會帶來一個問題?！肮饷?ns傳播1m，所以1ns寬的脈沖無法真正測量到1m以內的物體，除非采用輸出和輸入之間的相位差來判斷。所以針對短距離測量時，會選擇光功率更高的間接飛行時間（iToF）。脈沖流的頻率為100MHz，測量一系列脈沖流的相位差，以此來推算物體的距離?！盠idow說道。

他又補充道：“如果要觀測幾英尺以外的物體，只需要電流為1A~10A的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。但如果想觀測更遠具體的物體，就需要更大的功率，因為你用的是無方向性的激光脈沖。因此，iToF往往在近距離測量中表現(xiàn)非常出色，但對遠距離物體來說并非是一個有效的方法?！?/p>

圖1：脈沖寬度及振幅（來源：宜普電源）

用于激光雷達的eToF激光驅動器

EPC21601是一款邏輯控制電壓為3.3V、頻率高達200MHz、激光驅動電流可調制最大10A的激光驅動器。其開啟、斷開時間分別為410ps和320ps。作為一顆單芯片plus eGaN FET驅動器，EPC21601采用EPC的GaN IC專利技術、芯片級BGA封裝，尺寸僅有1.5mm x 1.0mm。

EPC21601是一顆40V、10A的FET，用于驅動邏輯電平輸入為3.3V的VCSEL?！笆褂脙蓚€獨立芯片而非單個芯片時，需要注意的是：兩個獨立芯片在驅動器和功率FET之間會存在大約50pH的電感，這50pH的電感會使速度減半。所以，即使是把電感減小到10pH或20pH，也是非常重要的。驅動器和功率FET的集成能將共源極電感減至10pH以下，從而改善脈沖的上升和下降時間，同時也改善了對近距離物體的分辨率?！盠idow說道。

圖2：EPC21601的時延性能（來源：宜普電源）

EPC21601采用芯片級封裝（CSP），易于組裝，節(jié)省占板面積，提高整體效率。Lidow表示：“本系列產(chǎn)品將更快、更多地推動ToF技術進入終端應用。”他補充道：“超聲波傳感器的局限是無法探測距離小于30cm的物體，這與工作頻率有關。所以可以替換超聲波傳感器和近距離攝像頭芯片。”EPC21601就是專門為高速和短脈沖操作而設計的，同時最大幅度地減少了所需外部組件的數(shù)量。

圖3：EPC21601的時延性能——200MHz（來源：宜普電源）

在圖2和圖3中，Lidow展示了如何用一系列測試驗證新器件在高速應用中的有效性?！皥D2中有一個10A、20V、9ns的脈沖序列，開啟時間約400ps，斷開時間約300ps，開啟和斷開時受電感限制，這種條件下能分辨非常近的距離。圖3是一個200MHz的脈沖序列。脈沖時間縮短為1.4ns，電流和電壓仍然是10A和20V。從圖中可以看出，斷開時間是245ps?！盠idow還補充道，根據(jù)圖2和圖3，新的激光驅動器IC可以配合ToF應用中任何對速度要求非?？斓募す馄骷夹g。

圖4：演示電路板（來源：宜普電源）

圖5：EPC9154開發(fā)板電路圖（來源：宜普電源）

Lidow提到還有一些比如EPC9154的開發(fā)板，具有eToF激光驅動IC EPC21601的特點，主要用來驅動短脈沖高電流激光二極管。其性能包括：最小脈沖寬度小于2ns、峰值電流大于10A、及30V母線電壓。EPC9154能利用電流脈沖驅動激光二極管，峰值功率達幾十瓦。用于激光雷達的激光二極管在設計時考慮到了這一點，但激光器封裝時的散熱限制則要求必須確認對脈沖寬度、工作周期和脈沖重復頻率的限制。

圖6：連接與測量設置（來源：宜普電源）

正如Lidow指出的那樣，出于特定的原因，可能影響性能的開關損耗實際上對熱問題的影響并不大，因為激光是在突發(fā)模式（burst mode）下使用的?！耙虼?，它周期性地發(fā)射200MHz的脈沖流，也可能是100kHz，或是10kHz，這取決于想要達到的幀率。每一種情況下，激光器都存在熱極限?！盠idow說道。

他補充說，“作為一個競爭對手來審視MOSFET。硅基MOSFET的成本非常低，而且是人們都很熟悉的產(chǎn)品。但其在高頻和高功率密度的應用中受到限制。舉個例子來說，在電機驅動中，我們現(xiàn)在看到GaN技術的采用大量增加，因為電機在低電壓下的工作頻率從20kHz增加到100kHz。對于新一代汽車來說，需要的是4kW或5kW功率器件，其中4kW MOSFET最佳，因此需要帶MOSFET的七相降壓變換器，而GaN能分四個階段實現(xiàn)這個功能，還節(jié)省空間、提高效率?！?br />
新型eToF會給消費者帶來更多收益，包括豪華機器人和其它價位相對低廉的機器人。這些機器人都需要激光雷達幫助它們不會與物體相撞，并準確定位。無人機上使用該解決方案可以擴大地面識別域，從而進一步拓展市場。

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