深度解读激光雷达系统设计的eToF激光驱动器系列

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

高效功率转换（EPC）宣布了用于激光雷达系统设计的eToF激光驱动器系列。新的氮化镓（GaN）系列旨在为消费类和工业领域的自动驾驶汽车和3D感测提供飞行时间（ToF）应用。

EPC的新型激光雷达将设备驱动器直接与基于GaN的激光器集成在一起。EPC首席执行官Alex Lidow解释说，这种配置几乎消除了两个元件分开时存在的所有电感。这使EPC的新激光雷达能够产生相对较快的脉冲，最终转化为更高的分辨率。

他说：“您对激光的拥抱越多越好。”

集成还可以减小传感器/驱动器组合的尺寸；新设备可以缩小到3平方毫米或小至1平方毫米。此外，根据Lidow所说，EPC可以廉价出售它们。

“性能低于1美元的激光器/驱动器，而100美元，200美元的性能如何？Lidow说，他解释了为什么他认为OEM会发现增加EPC的新激光雷达设备将是微不足道的费用，他解释说。

Lidow说，EPC已经销售了数百万个用于机器人，自动吸尘器，无人驾驶飞机和其他应用的激光雷达。Lidow认为，随着新激光雷达性能的提高以及尺寸和成本的降低，新激光雷达将对智能手机，各种先进车辆和其他产品的制造商产生吸引力。

包括摄像机。Lidow解释说，光学传感器总是要花一点时间聚焦在移动的物体上，并指出以激光速度找到物体的范围是激光雷达的根本目的。这就是为什么他设想将摄像头系统与激光雷达集成在一起。

Lidow强调了在激光雷达应用中，如何以低成本引入这个新系列与MOSFET竞争。所述EPC21601激光驱动器集成了40 V，10甲FET具有集成栅极驱动器和3.3逻辑电平输入到单个芯片中。

激光雷达是一种使用脉冲激光测量物体之间距离的技术，通过获取的信息可以获得3D图像。激光雷达技术可提供准确性，广域覆盖以及对数据收集的全数字支持。

事实证明，采用GaN技术的FET可用作激光开关的驱动器元件，可驱动大电流和极短的脉冲。较短的脉冲宽度可提供更高的分辨率，而高脉冲电流可使激光雷达系统达到较远的距离。Lidow表示：“ GaN技术支持这两个特性，使其非常适合激光雷达。”

激光雷达的飞行时间（ToF）
脉冲激光雷达技术用于长距离，可直接测量光子经过往返距离的时间，这称为飞行时间。Lidow说：“ ToF技术非常简单，它实质上测量了往返时间。”

在这些应用中，当您必须靠近物体时，激光信号的脉冲宽度就会出现问题。“光每三纳秒传播一米，因此，如果脉冲宽度为一纳秒，那么您实际上无法测量比一米还要近的物体，除非您要查看的是输出与输出之间的相位差。输入。因此，基本上，您查看输出脉冲，然后从返回脉冲中减去输出脉冲。因此，人们为了间接测量飞行距离而要做的就是使用大量的光功率。他们用100兆赫量级的脉冲流做到这一点。他们测量了积分脉冲流的相位差，告诉您物体有多远。” Lidow说。

他补充说：“如果您正在寻找距离几英尺远的地方，则只需使用垂直腔表面发射激光器（VCSEL），就只需大约1到10安培的电流。而且，如果您想走得更远，由于使用的是非定向光脉冲，因此功率要求会越来越大。因此，间接飞行时间往往是在近距离应用中进行操作的一种极好的机制，而不是对远处物体的有效机制。”

图1：脉冲宽度和幅度（来源：EPC）。

激光雷达
的eToF EPC21601是一款激光驱动器，使用3.3 V逻辑在高达200 MHz的高频下进行控制，以调制高达10 A的激光驱动电流。接通和断开时间分别为410 ps和320 ps。EPC21601是采用EPC专有的GaN IC技术的单芯片外加eGaN FET驱动器，芯片尺寸为1.5 mm x 1.0 mm的BGA尺寸。

它是一种40伏，10安培的FET器件，旨在通过3.3伏逻辑电平输入来驱动VCSEL。“使用两个单独的芯片而不是一个芯片时要考虑的事情之一是，两个芯片在驱动器和功率FET之间的电感约为50 Pico Henry。而且，如果您有50 Pico Henry的电感，您的速度将减半。因此，即使您降低到10或20 Pico Henry，这也很重要。驱动器和功率FET的集成将公共源电感减小到只有几个Pico Henry，从而改善了脉冲的上升和下降时间，并因此改善了非常接近的物体的分辨率。” Lidow说。

图2：EPC21601的时序性能（来源：EPC）。单击以放大图像。

EPC21601采用芯片级封装（CSP）提供，易于组装，节省了PCB空间，并提高了整体效率。Lidow说：“该产品系列将使ToF能够在更广泛的最终用户应用中更快地采用。”他补充说：“超声波传感器的检测距离不能小于30厘米。这是它们的局限性，与工作频率有关。因此，您可以在一个短距离内替换超声传感器和摄像头芯片。”EPC21601专为高速，短脉冲操作而设计，同时最大程度地减少了所需的外部零件数量。

图3：EPC21601 – 200 MHz的时序性能（来源：EPC）。点击放大图片

Lidow通过图2和3展示了一系列测试如何确认新设备在高速应用中的有效性。“在图2中，有一个10安培的脉冲串，高20伏，宽9纳秒，接通时间约为400皮秒，断开时间约为300皮秒。而且通断时间受电感限制。在这种情况下，可以解决非常短的距离。图3显示了200兆赫兹的脉冲序列。因此，在这种情况下，我们有一个1.4纳秒宽的脉冲，仍然有10安培和20伏特。从图中可以看到，这里的关闭时间是245皮秒乘以300皮秒。” Lidow说。他补充说，根据图片2和3，新的IC可以使用ToF应用中使用的任何激光技术实现非常快速的操作。

图4：演示板（来源：EPC）。单击以放大图像。

图5：EPC9154开发板的框图（来源：EPC）。单击以放大图像。

Lidow说，还有诸如EPC9154的开发板，它具有EPC21601 eToF激光驱动器IC，主要用于驱动短脉冲大电流激光二极管。功能包括最小脉冲宽度<2 ns，峰值电流> 10 A和总线电压30 V（图4-6）。EPC9154能够驱动带有电流脉冲的激光二极管，从而产生数十瓦光功率的峰值功率。考虑到设计激光雷达应用的激光二极管，但是激光封装的热限制意味着必须遵守脉冲宽度，占空比和脉冲重复频率限制。

图6：连接和测量设置（来源：EPC）。单击以放大图像。

正如Lidow指出的那样，由于特定原因，可能会影响性能的开关损耗实际上并不会显着影响散热问题，因为激光器是在突发模式下使用的。因此，它会周期性地发出200兆赫兹的脉冲流，可能以100赫兹或10赫兹的速度，这取决于您要实现的帧速率。而且在每种情况下，激光都是热极限，” Lidow说。

他补充说：“作为竞争对手，我看到了MOSFET。硅MOSFET的成本非常低，人们对此非常熟悉。但是高频和功率密度的出现将在应用中受到限制。例如，在电机驱动器中，我们现在看到GaN的大幅增加，因为对于低电压，电机的频率从20kHz上升到100kHz。对于新一代汽车，它们需要4或5千瓦，而最好的MOSFET需要4千瓦，因此需要具有MOSFET的7相降压转换器。GaN可以分四个阶段完成，从而节省了空间并提高了效率。”

消费电子行业将受益于这种新型的eToF，既包括豪华机器人，也包括其他较便宜的机器人。所有人都装有激光雷达，以确保它们不会撞到错误或准确知道要在哪里检测位置。无人机将看到这些解决方案的使用，将增加其在地面识别应用中的市场。

— Brian Santo对本文做出了贡献。
编辑：hfy