GaN功率FET及背后柵極驅動(dòng)器在LiDAR傳感器中的作用

氮化鎵 （GaN） 功率器件因其超快的開(kāi)關(guān)速度和有限的寄生效應而成為 LiDAR 傳感器的核心構建模塊之一，從而在高總線(xiàn)電壓和窄脈沖寬度下實(shí)現高峰值電流。

為了迎來(lái)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的未來(lái)，必須在車(chē)輛系統內使用更先進(jìn)的傳感器。LiDAR 是檢測自動(dòng)駕駛汽車(chē)周?chē)矬w存在的更廣泛使用的傳感器之一，它是光檢測和測距的縮寫(xiě)，它從激光射出光并測量場(chǎng)景中的反射，有點(diǎn)像基于光的雷達。車(chē)輛的車(chē)載計算機可以使用這些數據來(lái)解釋汽車(chē)與周?chē)h(huán)境的關(guān)系以及道路上是否存在其他汽車(chē)和物體。

LiDAR 傳感器必須基于一個(gè)非?？焖俚拈_(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)為半導體激光管產(chǎn)生電壓脈沖。電壓的持續時(shí)間可能只有幾納秒。LiDAR 的脈沖頻率通常能夠在 500 kHz 到 1 MHz 之間。因此，需要一個(gè)具有非常短的上升和下降時(shí)間的功率開(kāi)關(guān)器件。GaN 功率 HEMT 技術(shù)往往具有非?？斓膶ê完P(guān)斷速度以及高脈沖電流能力。這些功率處理能力非常適合 LiDAR 傳感器。

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這些 GaN 功率 FET 必須與柵極驅動(dòng)器配對才能驅動(dòng)它們。例如，Texas Instruments 的 LMG1020 是一款低側驅動(dòng)器，旨在控制高速系統的 GaN FET 和邏輯電平 MOSFET，包括 LiDAR 和其他用于面部識別的飛行時(shí)間 （ToF） 傳感器。它們還可以在幾乎所有需要低側驅動(dòng)器的電源轉換器中工作。

該圖顯示了 GaN 功率 FET 和柵極驅動(dòng)器 IC 如何適應 LiDAR 傳感器。該參考設計包括一個(gè)低側 GaN 柵極驅動(dòng)器（LMG1020 或 LMG1025-Q1），它可以驅動(dòng) GaN 功率 FET，從而以超過(guò) 100 W 的功率提供 0.5 ns 的激光光脈沖，并具有較短的傳播延遲。

圖 LiDAR 傳感器駕駛員級的框圖。

LiDAR 傳感器使用脈沖激光形式的光來(lái)檢測車(chē)輛周?chē)矬w的存在，并精確繪制到它們的距離。車(chē)載計算機將能夠解釋車(chē)輛與周?chē)h(huán)境的關(guān)系。

LiDAR 的原理是將激光對準一個(gè)表面，然后發(fā)出一個(gè)短激光脈沖并測量光返回傳感器所需的時(shí)間，使用以下公式計算距離：距離 =（光速 × 經(jīng)過(guò)的時(shí)間）/2。LiDAR 正在成為未來(lái)自動(dòng)駕駛汽車(chē)最重要的傳感器之一，因為它能夠以毫米級的精度和遠距離捕獲距離和深度信息。

雖然它的未來(lái)是自動(dòng)駕駛，但它也用于其他應用，包括：

• 環(huán)境監測：LiDAR 傳感器可用于地形測繪、監測空氣質(zhì)量和森林冠層分析等用途。

• 航空 航天：LiDAR 還可用于各種飛機（尤其是無(wú)人機）的地形測繪、障礙物檢測和測高。

• 考古學(xué)：LiDAR 還被用于幫助考古學(xué)家使用大規模掃描來(lái)發(fā)現隱藏的結構和景觀(guān)。

LiDAR 的主要優(yōu)勢包括：

• 更高的準確性：這對于需要詳細空間數據（即有關(guān)對象物理位置和形狀的任何信息）的應用程序來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

• 更高的幀速率：這對于在繁忙道路或其他動(dòng)態(tài)環(huán)境中行駛的汽車(chē)來(lái)說(shuō)非常有價(jià)值。

• 穩健性和可靠性：LiDAR 傳感器也非常適合在攝像機可能難以應對的惡劣環(huán)境條件下導航，例如大霧、灰塵或雨水。

• 更高的橫向分辨率：這在詳細的 3D 映射中非常有用。

當使用 LiDAR 傳感器捕獲距離和深度信息時(shí)，較短的脈沖寬度 （PW） 將實(shí)現更好的分辨率。但是，當使用更高的脈沖幅度時(shí)，這將增加檢測范圍。

集成 GaN 功率 FET 和超快速柵極驅動(dòng)器 IC 將提高開(kāi)關(guān)速度并減少功率損耗，為更先進(jìn)的 LiDAR 傳感器打開(kāi)大門(mén)。GaN 功率 FET 利用了最新硅基氮化鎵工藝技術(shù)的所有品質(zhì)因數 （FOM），而柵極驅動(dòng)器專(zhuān)為轉換速率增強而設計，這也是傳感器性能的一個(gè)福音。

通過(guò)組合這些功率組件并優(yōu)化它們的 PCB 布局，可以實(shí)現更高的激光功率，同時(shí)減少振鈴，從而改善 EMI 和散熱。這些改進(jìn)的規格有助于提高分辨率和檢測范圍。