GaN功率FET及背后柵極驅動器在LiDAR傳感器中的作用

氮化鎵 （GaN） 功率器件因其超快的開關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，從而在高總線電壓和窄脈沖寬度下實現高峰值電流。

為了迎來自動駕駛汽車的未來，必須在車輛系統內使用更先進的傳感器。LiDAR 是檢測自動駕駛汽車周圍物體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，它從激光射出光并測量場景中的反射，有點像基于光的雷達。車輛的車載計算機可以使用這些數據來解釋汽車與周圍環境的關系以及道路上是否存在其他汽車和物體。

LiDAR 傳感器必須基于一個非常快速的開關，該開關為半導體激光管產生電壓脈沖。電壓的持續時間可能只有幾納秒。LiDAR 的脈沖頻率通常能夠在 500 kHz 到 1 MHz 之間。因此，需要一個具有非常短的上升和下降時間的功率開關器件。GaN 功率 HEMT 技術往往具有非常快的導通和關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 必須與柵極驅動器配對才能驅動它們。例如，Texas Instruments 的 LMG1020 是一款低側驅動器，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間 （ToF） 傳感器。它們還可以在幾乎所有需要低側驅動器的電源轉換器中工作。

該圖顯示了 GaN 功率 FET 和柵極驅動器 IC 如何適應 LiDAR 傳感器。該參考設計包括一個低側 GaN 柵極驅動器（LMG1020 或 LMG1025-Q1），它可以驅動 GaN 功率 FET，從而以超過 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檢測車輛周圍物體的存在，并精確繪制到它們的距離。車載計算機將能夠解釋車輛與周圍環境的關系。

LiDAR 的原理是將激光對準一個表面，然后發出一個短激光脈沖并測量光返回傳感器所需的時間，使用以下公式計算距離：距離 =（光速 × 經過的時間）/2。LiDAR 正在成為未來自動駕駛汽車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。

雖然它的未來是自動駕駛，但它也用于其他應用，包括：

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

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

• 考古學：LiDAR 還被用于幫助考古學家使用大規模掃描來發現隱藏的結構和景觀。

LiDAR 的主要優勢包括：

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

• 更高的幀速率：這對于在繁忙道路或其他動態環境中行駛的汽車來說非常有價值。

• 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，較短的脈沖寬度 （PW） 將實現更好的分辨率。但是，當使用更高的脈沖幅度時，這將增加檢測范圍。

集成 GaN 功率 FET 和超快速柵極驅動器 IC 將提高開關速度并減少功率損耗，為更先進的 LiDAR 傳感器打開大門。GaN 功率 FET 利用了最新硅基氮化鎵工藝技術的所有品質因數 （FOM），而柵極驅動器專為轉換速率增強而設計，這也是傳感器性能的一個福音。

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