如何設(shè)計帶有GaN ToF激光驅(qū)動器的LiDAR系統(tǒng)

Efficient Power Conversion (EPC) 宣布推出用于 LiDAR 系統(tǒng)設(shè)計的 eToF 激光驅(qū)動器系列。新的氮化鎵 (GaN)系列旨在為自動駕駛汽車和消費(fèi)和工業(yè)領(lǐng)域的 3D 傳感提供飛行時間 (ToF) 應(yīng)用。

在接受 EE Times 采訪時，EPC 首席執(zhí)行官 Alex Lidow 強(qiáng)調(diào)了在 LiDAR 應(yīng)用方面，以低成本引入這個新系列如何與 Mosfet 競爭。所述EPC21601激光驅(qū)動器集成了40 V，10甲FET具有集成柵極驅(qū)動器和3.3邏輯電平輸入到單個芯片中。

LiDAR 是一種使用脈沖激光測量物體之間距離的技術(shù)，通過獲取的信息，可以獲得 3D 圖像。LiDAR 技術(shù)為數(shù)據(jù)收集提供準(zhǔn)確性、廣域覆蓋和全數(shù)字支持。

事實(shí)證明，采用 GaN 技術(shù)的 FET 適合作為激光開關(guān)、驅(qū)動大電流和極短脈沖的驅(qū)動器元件。短脈沖寬度提供更高的分辨率，高脈沖電流使 LiDAR 系統(tǒng)能夠達(dá)到很遠(yuǎn)的距離?！癎aN 技術(shù)支持這兩個特性，使其成為 LiDAR 的理想選擇，”Lidow 評論道。

LiDAR 的飛行時間 (ToF)

脈沖 LiDAR 技術(shù)用于長距離，直接測量光子在往返距離中行進(jìn)的時間，這稱為飛行時間 (ToF)?！癟oF 技術(shù)非常簡單，它主要測量往返時間，”Lidow 說。

在這些應(yīng)用中，當(dāng)您必須靠近物體時，激光信號的脈沖寬度就會出現(xiàn)問題?！肮饷咳{秒傳播一米，所以如果你有一個一納秒寬的脈沖，你就不能真正測量比一米更近的物體，除非你看到的是輸出和輸出之間的相位差。輸入。所以，基本上，你看輸出脈沖，然后從返回脈沖中減去它。因此，人們?yōu)檫@種間接飛行時間來測量短距離所做的事情就是使用大量的光功率。他們用大約 100 兆赫茲的脈沖流來做到這一點(diǎn)。他們測量該集成脈沖流的相位差，這會告訴您物體距離多遠(yuǎn)，”Lidow 說。

他補(bǔ)充說：“如果你正在看幾英尺外的東西，你只需要大約 1 到 10 安培的電流，采用垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL)。如果您想走得更遠(yuǎn)，功率要求會變得更大，因為您使用的是非定向光脈沖。因此，間接飛行時間往往是進(jìn)行近距離應(yīng)用的絕佳機(jī)制，而對于遠(yuǎn)距離物體則不是一種有效的機(jī)制?！?/p>

圖 1：脈沖寬度和幅度（來源：EPC）

激光雷達(dá)的 eToF

EPC21601 是一種激光驅(qū)動器，在高達(dá) 200 MHz 的高頻下使用 3.3 V 邏輯進(jìn)行控制，以調(diào)制高達(dá) 10 A 的激光驅(qū)動電流。開啟和關(guān)閉時間分別為 410 ps 和 320 ps。EPC21601 是一款單芯片加 eGaN? FET 驅(qū)動器，采用 EPC 專有的 GaN IC 技術(shù)，采用芯片級 BGA 外形尺寸，尺寸為 1.5 mm x 1.0 mm。

它是一個 40 伏、10 安培的 FET 器件，旨在驅(qū)動具有 3.3 伏邏輯電平輸入的 VCSEL?！笆褂脙蓚€獨(dú)立的芯片而不是一個芯片時要考慮的一件事是，兩個芯片在驅(qū)動器和功率 FET 之間將具有大約 50 Pico Henry 的電感。如果你有 50 Pico Henry 的電感，你的速度就會減半。因此，即使您降到 10 或 20 Pico Henry，這也很重要。驅(qū)動器和功率 FET 的集成將公共源電感降低到只有幾個 Pico Henry，從而改善了脈沖上升和下降時間，從而提高了非常接近物體的分辨率，”Lidow 說。

EPC21601 采用芯片級封裝 (CSP)，更易于組裝、節(jié)省 PCB 空間并提高整體效率。“該產(chǎn)品系列將使 ToF 在更廣泛的最終用戶應(yīng)用中得到更快的采用，”Lidow 說。他補(bǔ)充說：“超聲波傳感器無法檢測到小于 30 厘米的距離。這是他們的限制，這與工作頻率有關(guān)。所以你可以用一個短距離代替超聲波傳感器和相機(jī)芯片。” EPC21601 專為高速、短脈沖操作而設(shè)計，同時最大限度地減少所需的外部部件數(shù)量。

圖 2：EPC21601 的時序性能（來源：EPC）

圖 3：EPC21601 的時序性能 – 200 MHz（來源：EPC）

圖 4：演示板（來源：EPC）

圖5：EPC9154開發(fā)板框圖

通過圖 2 和圖 3，Lidow 展示了一系列測試如何確認(rèn)新設(shè)備對高速應(yīng)用的有效性?！霸趫D 2 中，有一個 10 安培的脈沖串，20 伏高，9 納秒寬，導(dǎo)通時間約為 400 皮秒，關(guān)斷時間約為 300 皮秒。并且開關(guān)時間受電感限制。在這種情況下可以解決非常短的距離。圖 3 顯示了 200 兆赫的脈沖序列。所以，在這種情況下，我們有一個 1.4 納秒寬的脈沖，仍然是 10 安培和 20 伏特。從圖中可以看出，這里的關(guān)斷時間是 245 皮秒乘以 300 皮秒，”Lidow 說。他補(bǔ)充說，根據(jù)圖 2 和圖 3，新 IC 可以使用 ToF 應(yīng)用中使用的任何激光技術(shù)處理非?？焖俚牟僮?。

Lidow 表示，還有EPC9154等開發(fā)板，它采用 EPC21601 eToF 激光驅(qū)動器 IC，主要用于驅(qū)動短脈沖大電流激光二極管。功能包括< 2 ns 的最小脈沖寬度、> 10 A 的峰值電流和30 V 的總線電壓（圖4-6）。EPC9154 能夠用電流脈沖驅(qū)動激光二極管，可產(chǎn)生數(shù)十瓦的光功率峰值功率。用于激光雷達(dá)應(yīng)用的激光二極管在設(shè)計時就考慮到了這一點(diǎn)，但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：連接和測量設(shè)置（來源：EPC）

正如 Lidow 指出的那樣，可能會影響性能的開關(guān)損耗實(shí)際上并不會因為特定原因?qū)釂栴}產(chǎn)生重大影響，因為激光器是在突發(fā)模式下使用的?！耙虼怂鼤ㄆ诎l(fā)出 200 兆赫的脈沖流，頻率可能為 100 千赫或 10 千赫，具體取決于您想要達(dá)到的幀速率。在每種情況下，激光都是熱極限，”Lidow 說。

他補(bǔ)充說：“作為競爭對手，我看到了 MOSFET。硅MOSFET的成本非常低，人們對它非常熟悉。但高頻和功率密度的出現(xiàn)將限制應(yīng)用。例如，在電機(jī)驅(qū)動器中，我們現(xiàn)在看到 GaN 的大幅增加，因為電機(jī)的低電壓頻率從 20 kHz 提高到 100 kHz。新一代汽車需要四五千瓦，最好的 MOSFET 需要四千瓦，你需要一個帶 MOSFET 的七相降壓轉(zhuǎn)換器。GaN 可以分四個階段完成，既節(jié)省空間又提高效率?！?/p>

消費(fèi)領(lǐng)域?qū)倪@種新的 eToF 中受益匪淺，包括豪華機(jī)器人和其他較便宜的機(jī)器人。所有這些都集成了激光雷達(dá)，以確保它們不會出錯或確切知道要檢測的位置。無人機(jī)將看到這些解決方案的使用擴(kuò)大其地面識別應(yīng)用市場。

審核編輯：劉清