LiDAR系統(tǒng)利用GaN的堅(jiān)韌

自動(dòng)駕駛汽車(chē)現(xiàn)在正在成為現(xiàn)實(shí)。通過(guò)使用許多高性能智能傳感器，這種類型的應(yīng)用成為可能。數(shù)字和微控制器領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步使得為ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）創(chuàng)建傳感器成為可能，例如車(chē)道保持、自適應(yīng)巡航控制和超車(chē)時(shí)檢測(cè)盲點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。ADAS 既是對(duì)駕駛員有用的工具，也是滿足更高安全標(biāo)準(zhǔn)需求的解決方案。ADAS 中最重要的元素之一是 LiDAR，用于行人檢測(cè)系統(tǒng)s、盲點(diǎn)檢測(cè)和自適應(yīng)巡航控制。一般來(lái)說(shuō)，所有需要檢測(cè)和映射車(chē)輛周?chē)性氐膽?yīng)用程序。很容易理解，激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)對(duì)于獲得安全的自動(dòng)駕駛汽車(chē)至關(guān)重要。

什么是 LiDAR 以及如何工作

LiDAR 代表 Light Detection and Ranging，即通過(guò)光帶中的電磁輻射進(jìn)行（遠(yuǎn)程）檢測(cè)和測(cè)量。該設(shè)備應(yīng)用了雷達(dá)的經(jīng)典而簡(jiǎn)單的原理，但它確實(shí)使用了由激光脈沖制成的光束。用于計(jì)算射線源與任何物體之間距離的技術(shù)稱為 TOF（飛行時(shí)間），如圖 1 所示。 與 RADAR 相比，該光學(xué)設(shè)備即使在遠(yuǎn)距離下也具有更高的分辨率，并且因此，它能夠獲得詳細(xì)的三維圖像，由中央單元處理以避免碰撞。

圖 1：TOF 技術(shù)（來(lái)源：www.hamamatsu.com）

LiDAR 的原理已為人所知數(shù)十年，其應(yīng)用涉及許多領(lǐng)域，從醫(yī)療到軍事，最終是汽車(chē)領(lǐng)域。但是激光束的使用產(chǎn)生了一些重要的技術(shù)問(wèn)題：一方面，激光是高分辨率的光源，能夠充分利用這一特性，通過(guò)掃描細(xì)致地重建環(huán)境的形態(tài)；另一方面，需要納秒級(jí)的高機(jī)械精度和脈沖速度；此外，雖然雷達(dá)的電磁波具有很高的反射系數(shù)，但對(duì)于激光來(lái)說(shuō)卻不是這樣，因此需要系統(tǒng)所需的優(yōu)質(zhì)能量。由流過(guò) LED 的高電流（甚至數(shù)十安培）產(chǎn)生，激光束和占空比必須低懸以避免過(guò)熱。高脈沖速度和更高的能量導(dǎo)致系統(tǒng)中的電子設(shè)備需要非常高的功率，增加系統(tǒng)的功率不可避免地會(huì)導(dǎo)致以下技術(shù)挑戰(zhàn)：

● 功率元件的熱管理和散熱器的設(shè)計(jì)

● 電路能效

● 根據(jù)開(kāi)斷溫度尋找合適的模塊

● 優(yōu)化電路板布局以盡量減少寄生元件

LiDAR 內(nèi)部：激光驅(qū)動(dòng)器

LiDAR 激光器由專門(mén)設(shè)計(jì)的電路驅(qū)動(dòng)，能夠在短時(shí)間內(nèi)提供大量電流。適度的驅(qū)動(dòng)器由一個(gè)用作電流開(kāi)關(guān)的組件組成，與激光器串聯(lián)。實(shí)現(xiàn)此類驅(qū)動(dòng)器最常用的電路拓?fù)渲皇?a target="_blank">電容器放電諧振電路，如圖 2 所示。

圖 2：電容放電諧振電路（來(lái)源：epc-co.com）

Q1和DL分別是要激活的激光器的開(kāi)關(guān)和LED。控制立即關(guān)閉，C1 電容器充電到 VIN 電壓。當(dāng) Q1 導(dǎo)通時(shí)，C1 通過(guò) DL 和 L1 電感放電，形成諧振電路。因此，流過(guò)激光器的電流將是一個(gè)正弦脈沖 IDL，直到 LED 兩端的電壓高于其正向電壓 VDLF。當(dāng) DL 上的電壓小于 VDLF 時(shí)，C1 再次開(kāi)始充電。

這種簡(jiǎn)單電路的優(yōu)點(diǎn)很多：

● 如果已知，可以利用寄生電感，

● 傳遞給激光器的能量與 VIN 有直接關(guān)系

● 只有一個(gè)單端開(kāi)關(guān)元件，易于控制

● 傳送給激光器的脈沖持續(xù)時(shí)間小于開(kāi)關(guān)器件的控制導(dǎo)通時(shí)間。

當(dāng)面對(duì)現(xiàn)實(shí)時(shí)，與電路的技術(shù)方面存在沖突。經(jīng)典的硅元件，例如 MOSFET，無(wú)法為在有效的 LiDAR 系統(tǒng)中實(shí)施激光驅(qū)動(dòng)器提供必要的功能。MOSFET 通道必須很大才能提供更高的控制，這會(huì)導(dǎo)致寄生電容的充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率對(duì)于應(yīng)用來(lái)說(shuō)太低。此外，熱管理需要笨重的散熱器才能充分發(fā)揮作用。

滿足所需參數(shù)的GaN器件

使用硅元件解決上述問(wèn)題是復(fù)雜的，需要有經(jīng)驗(yàn)的工程師和設(shè)計(jì)師，他們可以在電源和高頻領(lǐng)域工作。

當(dāng)今的電子工程師可以使用具有理想特性的創(chuàng)新寬帶隙技術(shù)器件來(lái)滿足汽車(chē)領(lǐng)域所需的 LiDAR 系統(tǒng)需求。

GaN（氮化鎵）器件的電子遷移率是硅器件的數(shù)百倍，能隙為 3.4 eV。與其硅對(duì)應(yīng)物相比，GaN MOSFET 具有更低的傳導(dǎo)損耗、更高的開(kāi)關(guān)速度、更好的熱性能以及更小的尺寸和成本。

所有這些特性都滿足了驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)關(guān)組件的需要。

圖 3：GaN 器件的基本結(jié)構(gòu)（來(lái)源：www.st.com）

結(jié)論

GaN 組件在商業(yè)設(shè)備中的使用才剛剛開(kāi)始。幾年前被認(rèn)為是不可能的或過(guò)于復(fù)雜的技術(shù)解決方案在許多領(lǐng)域被證明是成功的，例如在 LiDAR 系統(tǒng)的電源驅(qū)動(dòng)器中。從而證實(shí)，在未來(lái)幾年，電力電子領(lǐng)域?qū)⒂蒞BG器件主導(dǎo)，這可以解決“舊”半導(dǎo)體器件的技術(shù)限制。
文章來(lái)源：powerelectronicsnewsDavide Di Gesualdo

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