2021年03月01日 | Lidar平民价有戏了，EPC GaN激光驱动器问市

近日，宜普电源转换公司EPC宣布推出用于激光雷达系统设计的eToF激光驱动器系列。新型GaN系列产品旨在为自动驾驶汽车和3D传感领域提供ToF应用。

EPC的新激光雷达将设备驱动程序直接与基于GaN的激光器集成在一起。EPC首席执行官Alex Lidow解释，这种配置几乎消除了两个元件分开时存在的所有电感。这使得EPC的新型激光雷达能够产生相对更快的脉冲，最终转化为更高的分辨率。

这种集成还可以减小传感器/驱动组合的尺寸;这种新设备可以缩小到3平方毫米或1平方毫米。此外，据Lidow介绍，EPC可以将其低价出售。

Lidow:“与100美元、200美元相比，发现一个性能低于1美元的激光/驱动器是否令你惊讶不已?Lidow解释了为什么他认为OEM配备EPC的新激光雷达设备的费用几乎少而又少。

Lidow表示，EPC已经为机器人、自动真空吸尘器、送货无人机和其他应用销售了数百万部激光雷达。Lidow认为，随着新型激光雷达性能的提高、体积的缩小和成本的降低，新型激光雷达将对智能手机、各种先进汽车以及其他产品的制造商具有吸引力。

包括摄像机在内。Lidow解释，光学传感器总是需要一些时间来聚焦进入视野的物体，并指出以光速探测物体间距是激光雷达的基本功能。这就是为什么他设想将摄像机系统与激光雷达集成在一起的初衷。

Lidow强调了如何以低成本引入这个新家族，并在激光雷达应用与MOSFET竞争。新产品EPC21601将GaN驱动器和GaN FET集成到单个IC上，从而消除了互连电感，并消除了传统LiDAR电路的速率限制方面。EPC预计10 A，40 V激光驱动器IC可用于间接飞行时间（IToF）应用中。新型IC的尺寸为1.5mm x 1.0mm，据说可以提供比传统解决方案小36％的PCB解决方案。

传统激光雷达驱动器面临的问题

激光雷达的工作原理是一种利用脉冲激光测量物体之间距离的技术，通过获取的信息得到三维图像。激光雷达技术提供数据采集的准确性、广域覆盖和全数字支持。

在传统的LiDAR系统中，通常会找到一个硅驱动器IC，该驱动器可驱动GaN FET，然后将电流泵入LiDAR激光系统。由于电路连接中的电感会严重降低控制信号的速度，因此将这些组件连接起来是整个系统的限制因素之一。这意味着上升和下降时间变慢，最终脉冲宽度变宽，这意味着较差的分辨率。

Lidow解释：“问题出在硅驱动器连接到GaN FET的接口上。这成为整个电路速率限制的部分，首先，硅的速度不如GaN，其次，这两者之间的互连中存在电感。这种电感会使信号变慢。”

基于GaN技术的FET被证明非常适合作为激光开关的驱动元件，驱动大电流和极短脉冲。短脉冲宽度提供更高的分辨率，高脉冲电流使激光雷达系统能够到达高距离。Lidow:“GaN技术支持这两种特性，使其成为激光雷达的理想选择。

ToF激光雷达

脉冲激光雷达技术用于远距离，直接测量光子往返的距离有多长，这被称为飞行时间TOF。Lidow:“ToF技术非常简单，它本质上是测量往返时间。

在这些应用中，当你不得不接近一个物体时，激光信号的脉冲宽度有一个问题。Lidow：“光每3纳秒传播1米，所以如果你有一个1纳秒宽的脉冲，你便不能真正测量接近一米的物体，除非你看的是输出和输入之间的相位差。所以人们通过这种间接的飞行时间来测量短距离的方法就是使用大量的光功率。他们用100兆赫的脉冲流来实现。通过测量集成脉冲流的相位差，从而告诉你这个物体有多远。” 虽然直接测量飞行时间激光雷达最常见的是与ADAS联系在一起，但间接测量飞行时间正在进入只需要短距离测绘的消费类设备。

“如果你要看几英尺外的东西，你只需要大约1到10安培的电流，使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)即可。如果你想走得更远，对功率的要求就会变大，因为你使用的是无方向性的光脉冲。因此，间接飞行时间是一种出色的机制，做近距离应用，但对遥远的物体来说不是一个有效的机制。”

eToF激光雷达

最新的EPC21601是一款激光驱动器，采用3.3 V逻辑控制，高频高达200MHz，可调制高达10 A的激光驱动电流。开关时间分别为410ps和320ps。EPC21601是一个单芯片加eGaN FET驱动程序，采用EPC专有的GaN IC技术。

Lidow介绍：这是一个40伏，10安培的FET设备，用于驱动带有3.3伏逻辑电平输入的VCSEL。“当使用两个单独的芯片而不是一个芯片时，需要考虑的事情是两个芯片在驱动和power FET之间将有大约50 PH的电感。如果电感是50 PH，速度就会减半。所以，即使你降到10或20 PH，这也是个大问题。驱动器和动力场效应晶体管的集成将共同的源电感降低到只有几个PH，从而提高了脉冲的涨落时间，进而提高了非常接近物体的分辨率。”

图1

EPC21601采用芯片级封装(CSP)，易于组装，节省PCB空间，提高整体效率。Lidow:“这个产品系列将使ToF在更广泛的终端用户应用中得到更快的采用。超声波传感器有个限制——探测不到小于30厘米的物体，这和操作频率有关。所以你可以用一个短距离设备来替换超声波传感器和摄像头芯片。EPC21601是专门为高速、短脉冲操作而设计的，同时最大限度地减少所需外部部件数量。”

图2

Lidow通过一系列测试展示了这种新设备在高速应用中的有效性。“图2：有一个10安培的脉冲序列，20伏特高，9纳秒宽，通时约400皮秒，关时约300皮秒。开关时间受电感的限制。在这种情况下，很短的距离也可以被分辨出来。图3显示了在200兆赫的脉冲序列情况下，我们有一个1.4纳秒宽的脉冲，仍然是10安培和20伏特。从图中可以看出，关闭时间是245皮秒乘以300皮秒。”根据这两个测试，新的IC可以用任何ToF应用中的激光技术进行非常快的操作。

Lidow表示，还有一些开发板，如EPC9154，其特点是EPC21601 eToF激光驱动IC，主要用于驱动短脉冲大电流激光二极管。功能包括小于2 ns的最小脉冲宽度，10 A的峰值电流>和30 V的母线电压。EPC9154能够驱动激光二极管的电流脉冲可以产生几十瓦的峰值光功率。用于激光雷达应用的激光二极管在设计时考虑到了这一点，但是激光封装的热限制意味着必须遵守脉冲宽度、占空比和脉冲重复频率限制。

正如Lidow指出的那样，由于特定原因，可能会影响性能的开关损耗实际上对热问题的影响并不大，因为激光器是在脉冲模式下使用的。Lidow：“所以它会周期性地发出200兆赫的脉冲流，可能是100万赫兹，也可能是10万赫兹，这取决于你想要达到的帧率。在每一种情况下，激光都处在发热极限。”

 “硅MOSFET的成本非常低，人们对它非常熟悉。但是高频和功率密度的出现将会限制它的应用。例如，在电机驱动中，我们看到电机在20千赫兹到100千赫兹的低电压下，GaN的应用在大幅增加。对于新一代的汽车，他们需要4或5千瓦，在4千瓦阶段，如果想要MOSFET最优，你就需要一个带MOSFET的七相降压变换器。而GaN可以分四个阶段进行，节省空间，提高效率。”

消费领域将从这款新型eToF中获益良多，既包括豪华机器人，也包括其他价格较低的机器人。它们都采用了激光雷达，以确保它们不会撞到错误的地方，或准确知道它们的位置。无人机通过这些解决方案，使用将增加其地面识别应用的市场。

Lidar的未来需要GaN参与

激光雷达系统从垂直腔面发射激光器(VCSEL)发出光脉冲，需要高功率的电气控制，其速度非常快，上升和下降时间也很短。这也是氮化镓使激光雷达系统受益的原因之一。氮化镓的开关速度比硅FET快得多，可以在大电流下实现短脉冲宽度。这一特性对激光雷达来说至关重要，因为较短的脉宽可以带来更高的分辨率，而高脉冲电流则可以让激光雷达系统看得更远。

GaN提供比硅更高分辨率的LiDAR解决方案

GaN还具有更好的热性能。"热极限总是由激光器设定的，"Lidow说。"你把激光运行到它的热极限，当这种情况发生时，这些氮化镓器件甚至不会发热。"Lidow指出，尽管您可以使用硅制造LiDAR系统，但是这些设备的性能并不会太好。

总结

许多技术都取决于激光雷达的改进，但激光雷达本身也取决于更低级别的组件改进。具体而言，GaN晶体管的进步已被证明是开发高精密激光雷达系统不可或缺的一部分。作为该领域的领导者，EPC公司多年来一直在开发用于激光雷达的氮化镓，现在他们将把基于GaN的激光雷达技术带入汽车、消费领域甚至更加广阔的空间。