Efficient Power Conversion (EPC) 宣布推出用于 LiDAR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 eToF 激光驅(qū)動(dòng)器系列。新的氮化鎵 (GaN)系列旨在為自動(dòng)駕駛汽車(chē)和消費(fèi)和工業(yè)領(lǐng)域的 3D 傳感提供飛行時(shí)間 (ToF) 應(yīng)用。

在接受 EE Times 采訪時(shí)，EPC 首席執(zhí)行官 Alex Lidow 強(qiáng)調(diào)了在 LiDAR 應(yīng)用方面，以低成本引入這個(gè)新系列如何與 Mosfet 競(jìng)爭(zhēng)。所述EPC21601激光驅(qū)動(dòng)器集成了40 V，10甲FET具有集成柵極驅(qū)動(dòng)器和3.3邏輯電平輸入到單個(gè)芯片中。

LiDAR 是一種使用脈沖激光測(cè)量物體之間距離的技術(shù)，通過(guò)獲取的信息，可以獲得 3D 圖像。LiDAR 技術(shù)為數(shù)據(jù)收集提供準(zhǔn)確性、廣域覆蓋和全數(shù)字支持。

事實(shí)證明，采用 GaN 技術(shù)的 FET 適合作為激光開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)大電流和極短脈沖的驅(qū)動(dòng)器元件。短脈沖寬度提供更高的分辨率，高脈沖電流使 LiDAR 系統(tǒng)能夠達(dá)到很遠(yuǎn)的距離。“GaN 技術(shù)支持這兩個(gè)特性，使其成為 LiDAR 的理想選擇，”Lidow 評(píng)論道。

LiDAR 的飛行時(shí)間 (ToF)

脈沖 LiDAR 技術(shù)用于長(zhǎng)距離，直接測(cè)量光子在往返距離中行進(jìn)的時(shí)間，這稱(chēng)為飛行時(shí)間 (ToF)。“ToF 技術(shù)非常簡(jiǎn)單，它主要測(cè)量往返時(shí)間，”Lidow 說(shuō)。

在這些應(yīng)用中，當(dāng)您必須靠近物體時(shí)，激光信號(hào)的脈沖寬度就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。“光每三納秒傳播一米，所以如果你有一個(gè)一納秒寬的脈沖，你就不能真正測(cè)量比一米更近的物體，除非你看到的是輸出和輸出之間的相位差。輸入。所以，基本上，你看輸出脈沖，然后從返回脈沖中減去它。因此，人們?yōu)檫@種間接飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量短距離所做的事情就是使用大量的光功率。他們用大約 100 兆赫茲的脈沖流來(lái)做到這一點(diǎn)。他們測(cè)量該集成脈沖流的相位差，這會(huì)告訴您物體距離多遠(yuǎn)，”Lidow 說(shuō)。

他補(bǔ)充說(shuō)：“如果你正在看幾英尺外的東西，你只需要大約 1 到 10 安培的電流，采用垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL)。如果您想走得更遠(yuǎn)，功率要求會(huì)變得更大，因?yàn)槟褂玫氖欠嵌ㄏ蚬饷}沖。因此，間接飛行時(shí)間往往是進(jìn)行近距離應(yīng)用的絕佳機(jī)制，而對(duì)于遠(yuǎn)距離物體則不是一種有效的機(jī)制。”

圖 1：脈沖寬度和幅度（來(lái)源：EPC）

激光雷達(dá)的 eToF

EPC21601 是一種激光驅(qū)動(dòng)器，在高達(dá) 200 MHz 的高頻下使用 3.3 V 邏輯進(jìn)行控制，以調(diào)制高達(dá) 10 A 的激光驅(qū)動(dòng)電流。開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間分別為 410 ps 和 320 ps。EPC21601 是一款單芯片加 eGaN? FET 驅(qū)動(dòng)器，采用 EPC 專(zhuān)有的 GaN IC 技術(shù)，采用芯片級(jí) BGA 外形尺寸，尺寸為 1.5 mm x 1.0 mm。

它是一個(gè) 40 伏、10 安培的 FET 器件，旨在驅(qū)動(dòng)具有 3.3 伏邏輯電平輸入的 VCSEL。“使用兩個(gè)獨(dú)立的芯片而不是一個(gè)芯片時(shí)要考慮的一件事是，兩個(gè)芯片在驅(qū)動(dòng)器和功率 FET 之間將具有大約 50 Pico Henry 的電感。如果你有 50 Pico Henry 的電感，你的速度就會(huì)減半。因此，即使您降到 10 或 20 Pico Henry，這也很重要。驅(qū)動(dòng)器和功率 FET 的集成將公共源電感降低到只有幾個(gè) Pico Henry，從而改善了脈沖上升和下降時(shí)間，從而提高了非常接近物體的分辨率，”Lidow 說(shuō)。

EPC21601 采用芯片級(jí)封裝 (CSP)，更易于組裝、節(jié)省 PCB 空間并提高整體效率。“該產(chǎn)品系列將使 ToF 在更廣泛的最終用戶應(yīng)用中得到更快的采用，”Lidow 說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)：“超聲波傳感器無(wú)法檢測(cè)到小于 30 厘米的距離。這是他們的限制，這與工作頻率有關(guān)。所以你可以用一個(gè)短距離代替超聲波傳感器和相機(jī)芯片。” EPC21601 專(zhuān)為高速、短脈沖操作而設(shè)計(jì)，同時(shí)最大限度地減少所需的外部部件數(shù)量。

圖 2：EPC21601 的時(shí)序性能（來(lái)源：EPC）

圖 3：EPC21601 的時(shí)序性能 – 200 MHz（來(lái)源：EPC）

圖 4：演示板（來(lái)源：EPC）

圖5：EPC9154開(kāi)發(fā)板框圖

通過(guò)圖 2 和圖 3，Lidow 展示了一系列測(cè)試如何確認(rèn)新設(shè)備對(duì)高速應(yīng)用的有效性。“在圖 2 中，有一個(gè) 10 安培的脈沖串，20 伏高，9 納秒寬，導(dǎo)通時(shí)間約為 400 皮秒，關(guān)斷時(shí)間約為 300 皮秒。并且開(kāi)關(guān)時(shí)間受電感限制。在這種情況下可以解決非常短的距離。圖 3 顯示了 200 兆赫的脈沖序列。所以，在這種情況下，我們有一個(gè) 1.4 納秒寬的脈沖，仍然是 10 安培和 20 伏特。從圖中可以看出，這里的關(guān)斷時(shí)間是 245 皮秒乘以 300 皮秒，”Lidow 說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)，根據(jù)圖 2 和圖 3，新 IC 可以使用 ToF 應(yīng)用中使用的任何激光技術(shù)處理非常快速的操作。

Lidow 表示，還有EPC9154等開(kāi)發(fā)板，它采用 EPC21601 eToF 激光驅(qū)動(dòng)器 IC，主要用于驅(qū)動(dòng)短脈沖大電流激光二極管。功能包括< 2 ns 的最小脈沖寬度、> 10 A 的峰值電流和30 V 的總線電壓（圖4-6）。EPC9154 能夠用電流脈沖驅(qū)動(dòng)激光二極管，可產(chǎn)生數(shù)十瓦的光功率峰值功率。用于激光雷達(dá)應(yīng)用的激光二極管在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了這一點(diǎn)，但激光封裝的熱限制意味著必須遵守脈沖寬度、占空比和脈沖重復(fù)頻率限制。

圖 6：連接和測(cè)量設(shè)置（來(lái)源：EPC）

正如 Lidow 指出的那樣，可能會(huì)影響性能的開(kāi)關(guān)損耗實(shí)際上并不會(huì)因?yàn)樘囟ㄔ驅(qū)釂?wèn)題產(chǎn)生重大影響，因?yàn)榧す馄魇窃谕话l(fā)模式下使用的。“因此它會(huì)定期發(fā)出 200 兆赫的脈沖流，頻率可能為 100 千赫或 10 千赫，具體取決于您想要達(dá)到的幀速率。在每種情況下，激光都是熱極限，”Lidow 說(shuō)。

他補(bǔ)充說(shuō)：“作為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，我看到了 MOSFET。硅MOSFET的成本非常低，人們對(duì)它非常熟悉。但高頻和功率密度的出現(xiàn)將限制應(yīng)用。例如，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，我們現(xiàn)在看到 GaN 的大幅增加，因?yàn)?a target="_blank">電機(jī)的低電壓頻率從 20 kHz 提高到 100 kHz。新一代汽車(chē)需要四五千瓦，最好的 MOSFET 需要四千瓦，你需要一個(gè)帶 MOSFET 的七相降壓轉(zhuǎn)換器。GaN 可以分四個(gè)階段完成，既節(jié)省空間又提高效率。”

消費(fèi)領(lǐng)域?qū)倪@種新的 eToF 中受益匪淺，包括豪華機(jī)器人和其他較便宜的機(jī)器人。所有這些都集成了激光雷達(dá)，以確保它們不會(huì)出錯(cuò)或確切知道要檢測(cè)的位置。無(wú)人機(jī)將看到這些解決方案的使用擴(kuò)大其地面識(shí)別應(yīng)用市場(chǎng)。

審核編輯：劉清