高分辨率的激光雷达应用关键解决方案

更远感测距离和高分辨率的激光雷达解决方案

LiDAR (激光雷达) 可以精准地进行距离与空间量测，已经广泛地应用在车辆自动驾驶、扫地机器人与一些工业应用，随着LiDAR技术日益成熟、产品价格更具竞争力，市场发展相当快速。本文将为您介绍LiDAR的技术发展，以及由ROHM (罗姆半导体) 推出的LiDAR大功率激光二极管与高速栅极驱动器参考设计。

激光雷达带动新服务的创新

LiDAR是一种光学遥感技术，它通过向目标照射一束脉冲激光来测量目标的距离等参数，它在汽车业界已经应用了一段时间，可用于自动驾驶的物体距离精确测量、确定空间等功能，此外也在其他应用领域迅速发展，像是在扫地机器人和无人搬运车 (AGV) 中，可用于实现检测障碍物，并通过算法来计算前进路线。另外，运用LiDAR来掌握高速公路的交通量，以便避开塞车的路段，以及基于3D绘图的地图数据服务也被广泛应用。

此外，利用由LiDAR获得的实时点云数据并结合AI算法，可实现物体认知和行为预测，此外，通过LiDAR获得的重要数据和高精度化的需求也越来越高，随着LiDAR特性的进一步提升，不仅是汽车市场的需求，还适用于工业和基础设施领域，也有望带动新服务的创新。

针对LiDAR和物体检测应用，为了提高物体位置的正确性、物体检测距离的延伸、物体检测图像的高精细化、物体检测算法的正确性，LiDAR传感器需要具备更远的感测距离和高分辨率，高精细且高功率的光束光源是不可缺少的，因此不仅要提高用于发光的激光二极管的特性，还需要以更快的速度和更高的功率驱动激光二极管。

激光光源和高频驱动技术

目前，CMOS图像传感器和激光二极管光源相结合的图像传感技术已被广泛应用于各个领域，该技术的特点是无需接触被测物即可测量与被测物之间的距离以及被测物的形状等，在工业设备和车载领域，各种机器人自动化和汽车自动驾驶用途中使用LiDAR模块创新被寄予厚望。

通过LiDAR模块获取的距离数据通常被称为“点云图”或“3D深度图”，其图像数据的每个像素都存储了从LiDAR模块到被测物之间的距离数据。尤其是在汽车自动驾驶领域，必须能够覆盖更远的距离，因此业内相关厂家纷纷发力开发更高分辨率的点云图像技术。点云的分辨率取决于其一个像素能够覆盖的范围大小，一个像素的大小取决于感光元件的像素大小、激光束的扫描间距和激光束光斑的大小。

由于LiDAR适用于超过几十米远的较长测距范围，所以要想提高其分辨率，如何减小透镜出射光束的发散角至关重要。因此，需要选择光源尺寸尽可能小的半导体激光器和焦距尽可能长的透镜。

另一方面，在LiDAR运用中，由于能够发送窄脉冲信号，构筑了能够得到更高精细的图像系统，因此最合适应用能够进行高频驱动的GaN器件。与SiC器件一起被关注的宽带隙半导体之一的GaN器件，与以往的Si半导体相比，是能够大幅削减单位面积导通电阻的器件，在相同的导通电阻产品中，芯片尺寸可减小，开关损耗可大幅度降低 (与Si相比减少约65%)。SiC器件向更高耐压、更大功率持续进化，GaN器件则向更高频驱动方向发展。

激光雷达应用的关键解决方案

为了应对日益增长的激光雷达应用市场，ROHM提供激光二极管、GaN HEMT (EcoGaN) 和GaN栅极驱动器等解决方案，这些都是提高激光雷达特性的关键部件。

ROHM以独自的专利技术，成功开发了能够取得高精细图像的高功率激光二极管。作为75W产品的RLD90QZW3实现了激光二极管的窄发光宽度，相对于竞品290µm，减少22%到225µm，可实现高光束性、窄发光区域及高光学密度，可实现更高的分辨率和更宽的检测范围。另外，激光波长的温度依赖性与竞品的0.25nm/℃相比，改善了40%达到0.15nm/℃，因此能够使用窄波长带通滤波器，能够在窄波长范围内进行系统设计。这意味着信噪比 (S/N比) 得到改善，从而能够准确地测量距离更远的物体。而且，通过ROHM独特的技术，在实现窄发光宽度的同时，PCE (Power-Optical Conversion Efficiency) 也达到业界顶级的21%，抑制了功耗的增加。

在汽车应用领域，需要进一步扩大测距范围，对更高输出功率的半导体激光器需求强劲。因此，除了RLD90QZW3之外，ROHM还发布了120W级的RLD90QZW8，其额定输出光功率是RLD90QZW3的1.6倍。通常，要想提高输出光功率，就需要增加光源的尺寸，RLD90QZW8的光源尺寸是RLD90QZW3的1.2倍左右。

在车载应用中，测距范围达100m以上，因此需要选择输出光功率高的激光二极管，同时还需要产品具备能够将透镜出射光束发散角抑制得尽可能小的光学设计技术。RLD90QZW8是业内率先推出的兼具120W高输出功率和20deg快轴发散角的产品。未来，ROHM将继续发挥业界超高水准的光束质量技术优势，通过优质的激光二极管产品为图像传感领域的创新贡献力量。

ROHM将以这些先进的技术，增强LiDAR运用的激光二极管的阵容，引领高功率化的市场趋势。另外，ROHM不仅可以提供封装产品，还可以提供芯片，用户自己可应用于多晶元封装模块的开发，因此可设计出更具特征的LiDAR系统。

ROHM目前已经确立了GaN器件的量产体制，与竞争产品相比，栅极-源极间耐压提高到了8V，开关动作时的过冲破坏的余量也提高了约30%，因此是一个让电路设计容易的器件。并且，采用高散热的贴片式封装，更容易安装。采用比以往封装降低55%封装寄生电感结构，抑制特性劣化。

ROHM已经开始提供高速栅极驱动器IC (BD2311NVX-C) 的样品，这是驱动GaN HEMT的理想选择。BD2311NVX-C是针对GaN HEMT驱动优化的高速单通道栅极驱动器，输入信号的输出延迟减少到3.4 ns (开启) /3.0 ns (关闭)。与EcoGaN一样，由于采用了表面贴装封装，因此它是一种易于贴装的产品。

用于GaN HEMT和GaN HEMT驱动的栅极驱动器解决方案可以实现作为GaN HEMT的特点的高频驱动。除了面向LiDAR的激光驱动以外，也适用于活用GaN器件高频动作特长的DC/DC转换器等。

完整的激光驱动参考设计

为加速客户的产品开发速度，ROHM将激光二极管、GaN HEMT (EcoGaN)、GaN驱动用栅极驱动器等在激光驱动中作为关键作用的各器件加以组合，开发出REFLD002参考设计。

通常，为了驱动LiDAR激光二极管要使用能高速ON/OFF的GaN HEMT，其由矩形波电路或共振电路构成。矩形波电路控制与连接电源的激光二极管串联的ON/OFF开关，但上升／下降时间受半导体开关的速度、电路中形成的环路电感的限制。谐振型电路作为高频驱动电路是很普遍的，但是电路常数的设计需要了解高频。ROHM已经开发并公开了两种电路的参考设计，并公开了设计数据 (电路图、PCB的Gerber、BOM) 和评价数据，因此可由用户自由进行设计参照、设计转用。另外，由于在作为Web免费仿真器的ROHM Solution Simulator上公开了仿真电路，所以能够轻松地执行两种电路方式的仿真。由于可以马上确认变更电路常数时的波形变化，因此可以用于初期的设计讨论。

除了参考设计数据外，ROHM的网站上还提供了应用说明、仿真模型 (SPICE模型、射线数据) 和各个产品的PCB库数据。通过利用参考设计、参考设计电路仿真和产品数据，可以大幅减少设计和评估工时，并加快将产品推向市场的进程。

REFLD002是适用于LiDAR的大功率激光二极管高速驱动EcoGaN和高速栅极驱动器参考设计，参考设计包括REFLD002-1与REFLD002-2，内含高速驱动LiDAR应用中的关键器件 —— 激光二极管，以及下一代器件“EcoGaN” (GaN HEMT) 驱动用高速栅极驱动器 (BD2311NVX-C)，包含方波和谐振两种电路，可应用于ADAS LiDAR、工业用LiDAR、扫地机器人、无人搬运车 (AGV) 等产品。

结语

对于今后日益增加的LiDAR运用导入，ROHM推出多款为提高LiDAR特性而成为关键部件的激光二极管、GaN HEMT (EcoGaN)、提供GaN驱动用的栅极驱动器解决方案，并推出作为设计参照的参考设计，可加速用户的产品市场导入过程。

编辑：黄飞