激光雷达的工作原理及如何利用氮化镓消除隐患

在实际的激光雷达系统中，传统的硅器件(例如MOSFET)无法为其激光驱动器实现提供必要的性能。为了增强控制，MOSFET的沟道必须很大，这会导致寄生电容的充电时间过长，从而导致开关频率太低而不满足应用所需。此外，散热管理要达到良好的效果，就需要使用大体积、大重量的散热器。

自动驾驶汽车正在成为现实，这种应用通过使用许多高性能的智能传感器来实现。数字和微控制器（MCU）领域的技术进步，使我们可以为高级驾驶辅助系统（ADAS）创建各种传感器，例如实现车道保持、自适应巡航控制，以及在超车期间检测盲点的结构。ADAS既是一种对驾驶员有用的工具，又是一种用来满足更高安全标准要求的解决方案。激光雷达（LiDAR）是ADAS最重要的元素之一，它可以用来实现行人检测系统、盲点检测和自适应巡航控制。通常，它对于需要检测和勘测车辆周围所有元素的所有应用都适用。不难理解，激光雷达的设计对获得安全的自动驾驶汽车来说至关重要。

什么是激光雷达，它又是如何工作？

激光雷达的全称是光检测和测距，即通过光波段中的电磁辐射所进行的（远程）检测和测量。这种装置采用了经典、简单的雷达原理，不同的是它使用的是由激光脉冲所组成的光束。用于计算射线源与任何物体之间的距离的技术又称为TOF（飞行时间），如图1所示。与雷达相比，光学装置即使在长距离下也具有更高的分辨率，因此，它可以获得更详细的三维图像，再经过中央单元处理就可以避免碰撞。

图1：TOF技术。（图片来源：www.hamamatsu.com）

我们了解激光雷达的原理已有数十年的历史，其应用涉及医疗、军事以及汽车等许多领域。但是，使用激光束会带来一些重要的技术问题：一方面，如果激光被证明是一种高分辨率光源，那么就可以充分利用这一特性，通过扫描来仔细重建环境的形态；另一方面，它需要具有较高的机械精度和纳秒级的脉冲速度；此外，雷达的电磁波具有高反射系数，而对于激光而言却不是如此，因此就需要为系统提供更多的能量。由于激光束是依靠大电流（甚至达数十安培的数量级）流过LED所产生的，因此，为了防止过热，其占空比就必须非常低。要实现高脉冲速度和高能量，系统中的电子装置就需要给以非常大的功率，因此，要增加系统功率，就不可避免地会带来以下技术挑战：

● 电源器件的散热管理及散热器的设计

● 电路能效

● 根据极限温度找到合适的模块

● 优化电路板布局而最大程度降低寄生元件

激光雷达内部：激光驱动器

激光雷达的激光器是由专门设计的电路所驱动的，它能够在短时间内提供大量电流。普通的驱动器是由一个与激光器串联的、充当电流开关的元件所构成。实现这种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：电容器放电谐振电路。（图片来源：epc-co.com）

Q1和DL分别是待激活的激光器的开关和LED。一旦控制器关闭，C1电容器就立即充电至VIN电压。当Q1导通时，C1通过DL和L1电感放电，从而就形成了谐振电路。因此，流过激光器的电流就是正弦脉冲iDL，直到LED两端的电压高于其正向电压VDLF为止。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有很多：

● 如果寄生电感已知，就可以对其利用；

● 传输到激光的能量与VIN直接相关；

● 只有一个单端开关元件，因此很容易控制；

● 传输到激光器的脉冲，其持续时间小于开关器件的控制导通时间。

面对现实时，电路的技术方面存在冲突。在实际的激光雷达系统中，传统的硅元件（例如MOSFET）无法为其激光驱动器实现提供必要的性能。为了增强控制，MOSFET的沟道必须很大，这会导致寄生电容的充电时间过长，从而导致开关频率太低而不满足应用所需。此外，散热管理要达到良好的效果，就需要使用大体积、大重量的散热器。

氮化镓器件可满足所需参数

上述问题很难通过使用硅器件来解决，并且需要由经验丰富的、擅长电源和高频领域工作的工程师和设计人员来进行。

创新的宽禁带技术器件则具有理想的特性，目前的电子工程师可以利用这类器件来满足汽车领域对激光雷达系统的需求。

氮化镓（GaN）器件的电子迁移率是硅器件的数百倍，其能隙为3.4eV。与同类的硅产品相比，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。

所有这些特性都可以满足驱动器电路开关器件的需求。

图3：GaN器件的基本结构。（图片来源：www.st.com）

总结

氮化镓器件在商用设备中的运用还只是开始。事实证明，这类几年前还被认为是不可能或过于复杂的技术解决方案，现在在许多领域都取得了成功，例如激光雷达系统中的电源驱动器。因此可以肯定的是，在未来几年，宽禁带器件将会成为电力电子领域的主流，这样就可以解决“旧”半导体器件的技术局限性。

编辑：hfy