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基于eGaN® FET与IC的低成本ToF激光雷达方案

admin
2020-04-20
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标签:GaN

本文将对如何使用eGaN FET设计检测距离更远、分辨率更高及成本更低的激光雷达系统(LiDAR: Light Detection and Ranging)进行说明。

作者:EPC CEO及联合创始人Alex Lidow

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图1  典型激光雷达系统概述

应用概要

用于探测和测距的激光雷达是雷达的一种形式,其电磁波恰好在光学波段范围内[1、2]。在过去的几年中,作为激光雷达其中一种的飞行时间(ToF:Time-of-Flight)距离测量变得很流行。如果使用激光作为光源,则即使在很远处的小光点的距离也可以被测量到。与光学转向元件结合使用时,可以扫描光点距离测量值并在3D空间中形成地图对象,如图1所示。 

对于在自动驾驶和辅助驾驶等应用中为车辆提供眼睛的激光雷达系统而言,其需要短至几ns甚至更小脉宽的窄脉冲来实现必要的距离分辨率,而这类脉冲通常使用激光二极管来产生。为了获得足够的距离量程范围,峰值光功率必须要高,这意味着激光二极管的峰值电流将达到几十A甚至几百A。目前要产生这个数量级的电流,往往需要使用复杂的电路和昂贵的特殊半导体器件。

激光与脉冲要求

ToF激光雷达通常使用近红外(NIR:Near-infrared)激光二极管,即侧面发射外延激光器或垂直腔面发射激光器(VCSELs:Vertical Cavity Surface Emitting Lasers)来实现。激光二极管在电气上的表现与整流器类似,当正向偏置高于某个阈值电流时,它会发射出光功率与正向电流成比例的激光辐射线。因此,如果采用脉冲电流驱动,则可以获得激光脉冲[3]。激光脉冲主要有脉冲宽度和脉冲能量等两个关键参数,其分别对距离分辨率和距离量程范围有着很大影响。

传输中光信号的脉宽对激光雷达系统的距离分辨率有很大影响[4、5],图2对此进行了说明。图2上图描述了从激光雷达发出的窄脉冲光信号的情况,其中光脉冲必须传播距离d后才到达目标并被反射向后传播至激光雷达,则脉冲发送和接收之间的时间td为:td=2d/c,其中c是光在空气中的速度,约为30 cm/ns。通过测量传播时间td,可以确定目标距离。图2下图说明了当发送更大脉宽(足够大)的脉冲光信号时,反射的脉冲开始重叠,此时很难区分环境中的特征。

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图2 脉宽对激光雷达距离分辨率的影响

(上图:窄脉冲使反射易于区分;下图:宽脉冲反射中可能会重叠,难以区分并降低距离分辨率。)

假设以脉宽1 ns的脉冲电流驱动激光二极管,此时对应脉宽30 cm的光脉冲。当目标特征接近15 cm或更小脉宽时,此时接收到的脉冲信号开始重叠并变得难以区分。尽管各种信号处理技术可以提高给定脉宽的分辨率,但窄脉冲可以提供更好的固有精度,并且在实践中人类尺度的分辨率大约要求信号的脉宽为几ns或更短。

脉冲能量是确定激光雷达系统测量距离范围的主要因素之一。对更高分辨率的需求使设计朝着更窄脉冲方向发展,此时必须增大二极管电流才能保持足够的脉冲能量,典型脉冲电流幅值在几A到数百A。多款激光二极管的额定脉冲电流在数十A的范围内,可以在窄脉宽、大电流下运行这些激光二极管,并获得较高的峰值光功率。

总之,激光雷达系统应用对激光二极管的典型要求导致现有商用激光二极管的峰值脉冲电流范围从几A到数百A且脉宽为1 ns至10 ns。 

 GaN的性能优势

用于激光雷达系统的典型脉冲激光驱动器通常使用与激光器和电源串联的半导体功率开关器件,其性能受寄生电感和半导体功率器件的速度所限制。在过去的十年中,具有成本效益的GaN功率FET和IC已商业化,其寄生电感明显降低且开关品质因数(FOM:Figures of Merit)优于同规格Si MOSFET 器件10倍以上。 

随着eGaN® FET和IC的问世,从而能够以简单、小巧的电路低成本地实现所需性能。在给定的峰值电流能力下相比较,eGaN FET的性能大大优于传统Si MOSFET器件,可实现更快的开关速度。

如图3所示,GaN技术能够支持短距离和远距离激光雷达传感器的设计。对于远距离系统而言,GaN器件可在几ns内提供高达500 A的大电流脉冲。GaN器件还可为电流要求较低但仍需要窄脉冲(小于1 ns)的短距离系统提供解决方案。GaN器件的极高性能及其芯片级封装的超低寄生电感使eGaN FET成为脉冲激光驱动器的理想功率开关器件。

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图3  GaN器件可支持短距离和远距离激光雷达系统

如何构建超快大功率激光驱动器

最简单也最常见的激光驱动器方案是谐振电容放电驱动器,如图4所示。FET Q1通过寄生电感L1和激光器DL使电容C1谐振放电。为了消除寄生电感L1带来的影响并实现所需要的快速电流上升时间,C1需充电至相对较高的电压(通常为25~150 V),FET Q1必须能够承受这个电压和传导峰值电流并在1ns或更短的时间内导通。eGaN FET是唯一可以满足这些要求的现有低成本半导体功率开关器件。

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图4简化后的激光驱动器及其关键波形

基于GaN的远距离激光雷达方案

EPC9126和EPC9126HC是针对远距离直接飞行时间(DToF:Direct ToF)应用的大电流激光二极管驱动器的演示系统,它们在设计中采用了EPC所推荐的基本最佳布局原理来最小化寄生电感。EPC9126内置了通过汽车级认证的eGaN FET EPC2212,该器件可输出高达75 A且脉宽小于2 ns的电流脉冲到激光器中。更大电流版本的EPC9126HC则最大可以产生150 A的电流脉冲且脉宽小于3 ns。

两款驱动器中都内置了对关键波形的感测功能,并且可以兼容多种激光器封装形式。为了获得最佳性能,可以针对特定激光器优化PCB,例如采用低电感表面贴装脉冲激光器OSRAM SPL S1L90A_3 A01,并与TI高性能栅极驱动器 LMG1020配对使用[6]。图5给出了EPC9126HC演示系统在应用中产生脉宽2.51 ns、135 A的电流脉冲时所测得的波形。

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图5 EPC9126HC性能测试波形

基于GaN的短距离激光雷达方案

EPC9144激光驱动器演示系统针对间接飞行时间(IToF:Indirect ToF)应用进行了优化,能够产生总脉宽窄至1.2 ns、电流高达28 A的脉冲来驱动激光二极管。EPC9144内置了已经接地并通过汽车级认证的eGaN FET EPC2216,同时采用TI的栅极驱动器LMG1020来驱动。PCB设计中最大程度地降低了电源环路电感,同时保持激光二极管或其他负载的安装灵活性,板上还包括多个用于电压测试的无源探头,并配备了用于输入和检测的MMCX连接。

此外,该电路板还设置了一个能够进行亚ns级运行的窄脉冲发生器,用户可以通过移除电阻直接给栅极驱动器供电。电路板出厂时设定的工作逻辑电平为3.3 V,同时也配置了电平逻辑转换器和差分接收器以适应1.8 V逻辑电平或低压差分信号(LVDS:Low Voltage Differential Signaling)等不同应用情况。图6给出了EPC9144演示系统以及其在应用中产生脉宽1.2 ns、8.3 A的电流脉冲时所测得的性能曲线。

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图6 EPC9144性能测试波形

汽车级认证产品

针对汽车激光雷达应用系统,EPC已发布了多款通过AEC-Q101认证的产品,其中包括额定电压80 V且脉冲电流能力75 A的EPC2202、额定电压100 V且脉冲电流能力75 A的EPC2212、额定电压80 V且脉冲电流能力17 A的EPC2203以及额定电压 15 V且脉冲电流能力28 A的EPC2216,还有多款针对激光雷达应用的晶体管及IC正在进行汽车级认证。

结论

GaN功率晶体管与IC的卓越性能使激光驱动器的性能得到了突破性进展 [7]。在几平方毫米的面积上产生脉宽几ns的大电流脉冲以提供数百W功率的能力确实是非凡的,这是制造低成本高性能激光雷达系统的关键因素之一。因此,GaN功率器件技术的使用进一步扩展了激光雷达应用的领域并提高了至关重要的精确度,上述应用领域主要包括自动驾驶汽车及面部识别、仓库自动化、无人机和拓扑绘图等其他ToF应用。目前我们还处于GaN-on-Si功率器件技术的发展初期,eGaN FET的快速发展将不断扩大对处于技术瓶颈期的Si MOSFET的性能优势[8]。

参考文献

[1] J. Glaser, “How GaN Power Transistors Drive High-Performance Lidar: Generating ultrafast pulsed power with GaN FETs,” IEEE Power Electronics Magazine, vol. 4, Mar. 2017, pp. 25–35.

[2] P. McManamon, Field Guide to Lidar, SPIE, 2015.

[3] S. Morgott, Range Finding Using Pulse Lasers, Regensberg, Germany: Osram Opto Semiconductors, 2004

[4] S.A. Hovanessian, Radar System Design and Analysis, Norwood: Artech House, Inc, 1984.

[5] M. Andersson and J. Kjörnsberg, Design of Lidar-system, Lund University, 2014.

[6] OSRAM Opto Semiconductors, SPL S1L90A_3 A01 Datasheet, 2018

[7] A. Lidow, M. de Rooij, J. Strydom, D. Reusch, J. Glaser, GaN Transistors for Efficient Power Conversion. Third Edition, Wiley, ISBN 978-1-119-59414-7.

[8] Kevin J. Chen, Oliver Haberlen, Alex Lidow, Chun lin Tsai, Tetsuzo Ueda, Yasuhiro Uemoto, and Yifeng Wu, GaN-on-Si Power Technology: Devices and Applications, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol 64, No. 3, March 2017, p. 791 – 792.

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