GaN消除了LiDAR的障碍

自动驾驶汽车现在正在成为现实。通过使用许多高性能智能传感器，这种类型的应用成为可能。数字和微控制器领域的技术进步使得为ADAS（高级驾驶辅助系统）创建传感器成为可能，例如车道保持、自适应巡航控制以及超车时检测盲点的结构。ADAS 既是对驾驶员有用的工具，也是满足更高安全标准需求的解决方案。对于 ADAS 而言，最重要的元素之一是用于行人检测系统的 LiDARs、盲点检测和自适应巡航控制。一般来说，所有需要检测和映射车辆周围所有元素的应用程序。很容易理解，激光雷达的设计对于获得安全的自动驾驶汽车至关重要。

LiDAR 是什么以及如何工作

LiDAR 代表 Light Detection and Ranging，即通过光带中的电磁辐射进行（远程）检测和测量。该设备应用了雷达的经典而简单的原理，但它确实使用了由激光脉冲制成的光束。用于计算射线源与任何物体之间距离的技术称为 TOF（飞行时间），如图 1 所示。 与 RADAR 相比，该光学设备即使在远距离下也具有更高的分辨率，并且因此，它能够获得详细的三维图像，由中央单元处理以避免碰撞。

图 1：TOF 技术（来源：www.hamamatsu.com）

LiDAR 的原理已为人所知数十年，其应用涉及许多领域，从医疗到军事，最终是汽车领域。但是激光束的使用产生了一些重要的技术问题：如果一方面，激光是高分辨率的光源，能够充分利用这一特性，通过扫描细致地重建环境的形态；另一方面，需要纳秒级的高机械精度和脉冲速度；此外，虽然雷达的电磁波具有很高的反射系数，但对于激光来说却不是这样，因此需要系统所需的优质能量。由流过 LED 的高电流（甚至数十安培）产生，激光束和占空比必须低悬以避免过热。高脉冲速度和更高的能量导致系统中的电子设备需要非常高的功率，增加系统的功率不可避免地会导致以下技术挑战：

● 功率元件的热管理和散热器的设计

● 电路能效

● 根据开断温度寻找合适的模块

● 优化电路板布局以尽量减少寄生元件

LiDAR 内部：激光驱动器

LiDAR 激光器由专门设计的电路驱动，能够在短时间内提供大量电流。适度的驱动器由一个用作电流开关的组件组成，与激光器串联。实现此类驱动器最常用的电路拓扑之一是电容器放电谐振电路，如图 2 所示。

图 2：电容放电谐振电路（来源：epc-co.com）

Q1和DL分别是要激活的激光器的开关和LED。控制立即关闭，C1 电容器充电到 VIN 电压。当 Q1 导通时，C1 通过 DL 和 L1 电感放电，形成谐振电路。因此，流过激光器的电流将是一个正弦脉冲 IDL，直到 LED 两端的电压高于其正向电压 VDLF。当 DL 上的电压小于 VDLF 时，C1 再次开始充电。

这种简单电路的优点很多：

● 如果已知，可以利用寄生电感，

● 传递给激光器的能量与 VIN 有直接关系

● 只有一个单端开关元件，易于控制

● 传送给激光器的脉冲持续时间小于开关器件的控制导通时间。

当面对现实时，与电路的技术方面存在冲突。经典的硅元件，例如 MOSFET，无法为在有效的 LiDAR 系统中实施激光驱动器提供必要的功能。MOSFET 通道必须很大才能提供更高的控制，这会导致寄生电容的充电时间令人不快，从而导致开关频率对于应用来说太低。此外，热管理需要笨重的散热器才能充分发挥作用。

满足所需参数的GaN器件

使用硅元件解决上述问题是复杂的，需要有经验的工程师和设计师，他们可以在电源和高频领域工作。

当今的电子工程师可以使用具有理想特性的创新宽带隙技术器件来满足汽车领域所需的 LiDAR 系统需求。

GaN（氮化镓）器件的电子迁移率是硅器件的数百倍，能隙为 3.4 eV。与其硅对应物相比，GaN MOSFET 具有更低的传导损耗、更高的开关速度、更好的热性能以及更小的尺寸和成本。

所有这些特性都满足了驱动电路开关组件的需要。

图 3：GaN 器件的基本结构（来源：www.st.com）

结论

在商业设备中使用 GaN 组件才刚刚开始。几年前被认为是不可能的或过于复杂的技术解决方案在许多领域被证明是成功的，例如在 LiDAR 系统的电源驱动器中。从而证实，在未来几年，电力电子领域将由WBG器件主导，这可以解决“旧”半导体器件的技术限制。

审核编辑：郭婷