如何设计带有GaN ToF激光驱动器的LiDAR系统

Efficient Power Conversion (EPC) 宣布推出用于 LiDAR 系统设计的 eToF 激光驱动器系列。新的氮化镓 (GaN)系列旨在为自动驾驶汽车和消费和工业领域的 3D 传感提供飞行时间 (ToF) 应用。

在接受 EE Times 采访时，EPC 首席执行官 Alex Lidow 强调了在 LiDAR 应用方面，以低成本引入这个新系列如何与 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。

LiDAR 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。LiDAR 技术为数据收集提供准确性、广域覆盖和全数字支持。

事实证明，采用 GaN 技术的 FET 适合作为激光开关、驱动大电流和极短脉冲的驱动器元件。短脉冲宽度提供更高的分辨率，高脉冲电流使 LiDAR 系统能够达到很远的距离。“GaN 技术支持这两个特性，使其成为 LiDAR 的理想选择，”Lidow 评论道。

LiDAR 的飞行时间 (ToF)

脉冲 LiDAR 技术用于长距离，直接测量光子在往返距离中行进的时间，这称为飞行时间 (ToF)。“ToF 技术非常简单，它主要测量往返时间，”Lidow 说。

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，所以如果你有一个一纳秒宽的脉冲，你就不能真正测量比一米更近的物体，除非你看到的是输出和输出之间的相位差。输入。所以，基本上，你看输出脉冲，然后从返回脉冲中减去它。因此，人们为这种间接飞行时间来测量短距离所做的事情就是使用大量的光功率。他们用大约 100 兆赫兹的脉冲流来做到这一点。他们测量该集成脉冲流的相位差，这会告诉您物体距离多远，”Lidow 说。

他补充说：“如果你正在看几英尺外的东西，你只需要大约 1 到 10 安培的电流，采用垂直腔面发射激光器 (VCSEL)。如果您想走得更远，功率要求会变得更大，因为您使用的是非定向光脉冲。因此，间接飞行时间往往是进行近距离应用的绝佳机制，而对于远距离物体则不是一种有效的机制。”

图 1：脉冲宽度和幅度（来源：EPC）

激光雷达的 eToF

EPC21601 是一种激光驱动器，在高达 200 MHz 的高频下使用 3.3 V 逻辑进行控制，以调制高达 10 A 的激光驱动电流。开启和关闭时间分别为 410 ps 和 320 ps。EPC21601 是一款单芯片加 eGaN® FET 驱动器，采用 EPC 专有的 GaN IC 技术，采用芯片级 BGA 外形尺寸，尺寸为 1.5 mm x 1.0 mm。 

它是一个 40 伏、10 安培的 FET 器件，旨在驱动具有 3.3 伏逻辑电平输入的 VCSEL。“使用两个独立的芯片而不是一个芯片时要考虑的一件事是，两个芯片在驱动器和功率 FET 之间将具有大约 50 Pico Henry 的电感。如果你有 50 Pico Henry 的电感，你的速度就会减半。因此，即使您降到 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降低到只有几个 Pico Henry，从而改善了脉冲上升和下降时间，从而提高了非常接近物体的分辨率，”Lidow 说。

EPC21601 采用芯片级封装 (CSP)，更易于组装、节省 PCB 空间并提高整体效率。“该产品系列将使 ToF 在更广泛的最终用户应用中得到更快的采用，”Lidow 说。他补充说：“超声波传感器无法检测到小于 30 厘米的距离。这是他们的限制，这与工作频率有关。所以你可以用一个短距离代替超声波传感器和相机芯片。” EPC21601 专为高速、短脉冲操作而设计，同时最大限度地减少所需的外部部件数量。

图 2：EPC21601 的时序性能（来源：EPC）

图 3：EPC21601 的时序性能 – 200 MHz（来源：EPC）

图 4：演示板（来源：EPC）

图5：EPC9154开发板框图

通过图 2 和图 3，Lidow 展示了一系列测试如何确认新设备对高速应用的有效性。“在图 2 中，有一个 10 安培的脉冲串，20 伏高，9 纳秒宽，导通时间约为 400 皮秒，关断时间约为 300 皮秒。并且开关时间受电感限制。在这种情况下可以解决非常短的距离。图 3 显示了 200 兆赫的脉冲序列。所以，在这种情况下，我们有一个 1.4 纳秒宽的脉冲，仍然是 10 安培和 20 伏特。从图中可以看出，这里的关断时间是 245 皮秒乘以 300 皮秒，”Lidow 说。他补充说，根据图 2 和图 3，新 IC 可以使用 ToF 应用中使用的任何激光技术处理非常快速的操作。

Lidow 表示，还有EPC9154等开发板，它采用 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< 2 ns 的最小脉冲宽度、> 10 A 的峰值电流和30 V 的总线电压（图4-6）。EPC9154 能够用电流脉冲驱动激光二极管，可产生数十瓦的光功率峰值功率。用于激光雷达应用的激光二极管在设计时就考虑到了这一点，但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）

正如 Lidow 指出的那样，可能会影响性能的开关损耗实际上并不会因为特定原因对热问题产生重大影响，因为激光器是在突发模式下使用的。“因此它会定期发出 200 兆赫的脉冲流，频率可能为 100 千赫或 10 千赫，具体取决于您想要达到的帧速率。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，人们对它非常熟悉。但高频和功率密度的出现将限制应用。例如，在电机驱动器中，我们现在看到 GaN 的大幅增加，因为电机的低电压频率从 20 kHz 提高到 100 kHz。新一代汽车需要四五千瓦，最好的 MOSFET 需要四千瓦，你需要一个带 MOSFET 的七相降压转换器。GaN 可以分四个阶段完成，既节省空间又提高效率。”

消费领域将从这种新的 eToF 中受益匪浅，包括豪华机器人和其他较便宜的机器人。所有这些都集成了激光雷达，以确保它们不会出错或确切知道要检测的位置。无人机将看到这些解决方案的使用扩大其地面识别应用市场。

审核编辑：刘清