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GaN器件如何克服激光雷达(LiDAR)的前进障碍

时间:2021-02-18 作者:Davide Di Gesualdo 阅读:
激光雷达(LiDAR)的设计对于自动驾驶车辆的安全至关重要。通常,需要检测和映射车辆周围所有元素的所有应用都需要用到LiDAR。当前的电子工程师可以使用创新的宽带隙器件,这类器件完美的特性可以满足汽车应用对LiDAR系统的需求,而GaN器件的电子迁移率是硅器件的电子迁移率的数百倍,其能隙为3.4 eV。
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自动驾驶车辆现在正在成为现实,由于使用了许多高性能的智能传感器,这类应用成为可能。而数字和微控制器技术的进步也让针对先进驾驶辅助系统(ADAS)开发传感器成为可能。ADAS可用来保持车道、自适应巡航控制以及在超车时检测盲点。 ADAS既是有用对驾驶员工具,又是满足更高安全标准的解决方案。 激光雷达(LiDAR)是ADAS最重要的构成之一,它用于行人检测系统、盲点检测和自适应巡航控制。通常,需要检测和映射车辆周围所有元素的所有应用都需要用到LiDAR。很明显,激光雷达的设计对于自动驾驶车辆的安全至关重要。

LiDAR及其工作原理

LiDAR(激光雷达)代表光检测和测距,即通过光波段中的电磁辐射进行的(远程)检测和测量。该器件采用了雷达的经典和简单原理,但是它确实使用了由激光脉冲组成的光束。用于计算射线源与任何物体之间的距离的技术称为TOF(飞行时间),如图1所示。与雷达相比,激光雷达即使在长距离下也具有更高的分辨率,因此,它能够获得由中央处理单元处理过的详尽的三维图像,从而避免碰撞。

图1: TOF技术

LiDAR的原理已经众所周知,其发展已经有数十年的历史了,其应用涉及医疗,军事以及汽车等许多领域。但是使用激光束会带来一些重要的技术问题:一方面,激光被证明是一种高分辨率光源,它能够充分利用这一特性,并通过扫描精准地重塑周围环境形态;另一方面,它需要较高的机械精度和纳秒级的脉冲速度。此外,尽管RADAR的电磁波具有高反射系数,但是对于激光而言却不是这样,因此系统需要更大的能量。由流经LED的高电流(可高达数十安培)产生的激光束和占空比必须是低摆角的,以免过热。高脉冲速度和高能量会导致系统中电子器件对功率的要求非常高,而增加系统功率则不可避免地带来以下技术挑战:

●功率器件的热管理和散热器的设计

●电路能效

●根据断裂温度找到合适的模块

●优化电路板布局以最小化寄生元件

激光雷达内部:激光驱动器

LiDAR激光器由专门设计的电路驱动,能够在短时间内提供大量电流。其中简单的驱动器由一个与激光器串联、充当电流开关的器件组成。实现这种驱动器最常用的电路拓扑之一是电容放电谐振电路,如图2所示。

图2:电容放电谐振电路

Q1和DL分别是要激活的激光器的开关和LED。控制关闭的一刻,C1电容器充电至VIN电压。当Q1导通时,C1通过DL和L1电感放电,从而形成谐振电路。因此,流过激光器的电流将是正弦脉冲iDL,直到LED两端的电压高于其正向电压VDLF为止。当DL上的电压小于VDLF时,C1再次开始充电。

这种简单电路的优点有很多:

●如果已知的话,可以利用寄生电感

●传输到激光的能量与VIN直接相关

●只有一个单端开关元件,易于控制

●传输到激光器的脉冲持续时间小于开关装置的控制开启时间。

面对现实,电路的技术方面存在冲突。传统的硅器件(例如MOSFET)无法为在高效LiDAR系统的激光驱动器提供必要的功能特性。MOSFET通道必须很大,才能提供更高的控制能力,然而这又会导致寄生电容的充电时间过长,进一步导致开关频率过低而无法应用。此外,热管理需要沉重且笨重的散热器。

符合要求的GaN器件参数

通过使用硅器件来解决上述问题很复杂,并且需要经验丰富的功率和高频工程师和设计师。

当前的电子工程师可以使用创新的宽带隙器件,这类器件完美的特性可以满足汽车应用对LiDAR系统的需求。

氮化镓(GaN)器件的电子迁移率是硅器件的电子迁移率的数百倍,其能隙为3.4 eV。与硅同类产品相比,GaN MOSFET具有更低的传导损耗,更高的开关速度,更好的热性能以及更小的尺寸和更低的成本。

所有这些功能特性都可以满足驱动电路开关器件的需求。

图3:GaN器件的基本结构

结论

GaN器件在商业设备中的使用还只是开始。几年前被认为是不可能或太复杂的技术解决方案在许多领域都被证明是成功的,例如在LiDAR系统中的电源驱动器。因此可以肯定的是,在未来几年中,WBG器件将主导电力电子领域,这有望解决“旧”半导体器件的技术限制。

(参考原文:GaN quells LiDAR’s barriers

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2021年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅  

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