無人駕駛汽車現在正在成為現實。通過使用許多高性能的智能傳感器，可以實現這種類型的應用。數字和微控制器領域的技術進步使得可以為ADAS（先進的駕駛輔助系統）創建傳感器，例如車道保持，自適應巡航控制以及在超車期間檢測盲點的結構。ADAS既是對駕駛員有用的工具，又是對更高安全標準要求的解決方案。關于ADAS的最重要的要素之一是行人探測系統的LiDAR，盲點檢測和自適應巡航控制。通常，需要檢測和映射車輛周圍所有元素的所有應用程序。不難理解，激光雷達的設計對于獲得安全的自動駕駛汽車至關重要。

什么是LiDAR以及如何工作

LiDAR代表光檢測和測距，即通過光學波段中的電磁輻射進行（遠程）檢測和測量。該設備采用了RADAR的經典和簡單原理，但是它確實使用了由激光脈沖組成的光束。用于計算射線源與任何物體之間的距離的技術稱為TOF（飛行時間），如圖1所示。與RADAR相比，光學設備即使在長距離下也具有更高的分辨率，并且因此，它能夠獲得要由中央單元處理的詳細的三維圖像，以避免碰撞。

圖1：TOF技術（來源：www.hamamatsu.com）

LiDAR的原理已有數十年的歷史，其應用涉及醫療，軍事以及汽車等許多領域。但是使用激光束會帶來一些重要的技術問題：如果一方面，激光被證明是一種高分辨率光源，它能夠充分利用這一特性，并通過掃描精心地重建環境的形態；另一方面，需要較高的機械精度和大約納秒級的脈沖速度。此外，盡管RADAR的電磁波具有高反射系數，但是對于激光而言卻不能說這，因此需要系統所需的優異能量。由流過LED的高電流（甚至幾十安培的數量級）產生，激光束和占空比必須一定是低擺的，以免過熱。高脈沖速度和高能量會導致系統中的電子設備需要非常高的功率，而增加系統功率不可避免地導致以下技術挑戰：

●電源組件的熱管理和散熱器的設計

●電路能效

●根據斷裂溫度找到合適的模塊

●優化電路板布局以最大程度減少寄生元件

激光雷達內部：激光驅動器

LiDAR激光器由專門設計的電路驅動，能夠在短時間內提供大量電流。適中的驅動器由一個與激光器串聯的充當電流開關的組件組成。實現這種驅動器最常用的電路拓撲之一是電容器放電諧振電路，如圖2所示。

圖2：電容器放電諧振電路（來源：epc-??co.com）

Q1和DL分別是要激活的激光器的開關和LED。立即關閉控制，將C1電容器充電至VIN電壓。當Q1接通時，C1通過DL和L1電感放電，從而形成諧振電路。因此，流過激光器的電流將是一個正弦脈沖IDL，直到LED兩端的電壓高于其正向電壓VDLF為止。當DL上的電壓小于VDLF時，C1再次開始充電。

這種簡單電路的優點有很多：

●如果知道，可以利用寄生電感，

●傳輸到激光的能量與VIN直接相關

●只有一個易于控制的單端開關元件

●傳輸到激光器的脈沖的持續時間小于開關設備的控制接通時間。

面對現實時，電路的技術方面存在沖突。傳統的硅組件（例如MOSFET）無法為有效的LiDAR系統中的激光驅動器實施提供必要的功能。MOSFET通道必須很大才能提供更高的控制能力，這會導致寄生電容的充電時間過長，從而導致開關頻率對于應用而言太低。此外，熱管理需要沉重且笨重的散熱器才能充分發揮作用。

符合要求的GaN器件參數

通過使用硅組件來解決上述問題很復雜，并且需要經驗豐富的工程師和設計師來從事電源和高頻領域的工作。

當前的電子工程師可以使用創新的寬帶隙技術設備，這些設備具有理想的特性，可以滿足汽車領域對LiDAR系統的需求。

GaN（氮化鎵）器件的電子遷移率是硅中的電子遷移率的數百倍，其能隙為3.4 eV。與硅同類產品相比，GaN MOSFET具有更低的傳導損耗，更高的開關速度，更好的熱性能以及更小的尺寸和成本。

所有這些功能都可以滿足驅動器電路開關組件的需求。

圖3：GaN器件的基本結構（來源：www.st.com）

結論

GaN組件在商業設備中的使用只是開始。幾年前被認為是不可能或太復雜的技術解決方案在許多領域都被證明是成功的，例如在LiDAR系統的電源驅動器中。因此，可以肯定的是，在未來幾年中，WBG器件將主導電力電子領域，這可以解決“舊”半導體器件的技術局限性。

編輯：hfy