自動駕駛汽車現在正在成為現實。通過使用許多高性能智能傳感器，這種類型的應用成為可能。數字和微控制器領域的技術進步使得為ADAS（高級駕駛輔助系統）創建傳感器成為可能，例如車道保持、自適應巡航控制以及超車時檢測盲點的結構。ADAS 既是對駕駛員有用的工具，也是滿足更高安全標準需求的解決方案。對于 ADAS 而言，最重要的元素之一是用于行人檢測系統的 LiDARs、盲點檢測和自適應巡航控制。一般來說，所有需要檢測和映射車輛周圍所有元素的應用程序。很容易理解，激光雷達的設計對于獲得安全的自動駕駛汽車至關重要。

LiDAR 是什么以及如何工作

LiDAR 代表 Light Detection and Ranging，即通過光帶中的電磁輻射進行（遠程）檢測和測量。該設備應用了雷達的經典而簡單的原理，但它確實使用了由激光脈沖制成的光束。用于計算射線源與任何物體之間距離的技術稱為 TOF（飛行時間），如圖 1 所示。 與 RADAR 相比，該光學設備即使在遠距離下也具有更高的分辨率，并且因此，它能夠獲得詳細的三維圖像，由中央單元處理以避免碰撞。

圖 1：TOF 技術（來源：www.hamamatsu.com）

LiDAR 的原理已為人所知數十年，其應用涉及許多領域，從醫療到軍事，最終是汽車領域。但是激光束的使用產生了一些重要的技術問題：如果一方面，激光是高分辨率的光源，能夠充分利用這一特性，通過掃描細致地重建環境的形態；另一方面，需要納秒級的高機械精度和脈沖速度；此外，雖然雷達的電磁波具有很高的反射系數，但對于激光來說卻不是這樣，因此需要系統所需的優質能量。由流過 LED 的高電流（甚至數十安培）產生，激光束和占空比必須低懸以避免過熱。高脈沖速度和更高的能量導致系統中的電子設備需要非常高的功率，增加系統的功率不可避免地會導致以下技術挑戰：

● 功率元件的熱管理和散熱器的設計

● 電路能效

● 根據開斷溫度尋找合適的模塊

● 優化電路板布局以盡量減少寄生元件

LiDAR 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。適度的驅動器由一個用作電流開關的組件組成，與激光器串聯。實現此類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。控制立即關閉，C1 電容器充電到 VIN 電壓。當 Q1 導通時，C1 通過 DL 和 L1 電感放電，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。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很多：

● 如果已知，可以利用寄生電感，

● 傳遞給激光器的能量與 VIN 有直接關系

● 只有一個單端開關元件，易于控制

● 傳送給激光器的脈沖持續時間小于開關器件的控制導通時間。

當面對現實時，與電路的技術方面存在沖突。經典的硅元件，例如 MOSFET，無法為在有效的 LiDAR 系統中實施激光驅動器提供必要的功能。MOSFET 通道必須很大才能提供更高的控制，這會導致寄生電容的充電時間令人不快，從而導致開關頻率對于應用來說太低。此外，熱管理需要笨重的散熱器才能充分發揮作用。

滿足所需參數的GaN器件

使用硅元件解決上述問題是復雜的，需要有經驗的工程師和設計師，他們可以在電源和高頻領域工作。

當今的電子工程師可以使用具有理想特性的創新寬帶隙技術器件來滿足汽車領域所需的 LiDAR 系統需求。

GaN（氮化鎵）器件的電子遷移率是硅器件的數百倍，能隙為 3.4 eV。與其硅對應物相比，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。

所有這些特性都滿足了驅動電路開關組件的需要。

圖 3：GaN 器件的基本結構（來源：www.st.com）

結論

在商業設備中使用 GaN 組件才剛剛開始。幾年前被認為是不可能的或過于復雜的技術解決方案在許多領域被證明是成功的，例如在 LiDAR 系統的電源驅動器中。從而證實，在未來幾年，電力電子領域將由WBG器件主導，這可以解決“舊”半導體器件的技術限制。

審核編輯：郭婷