自駕車光達用的 GaN FET 快速指南

光達 (LiDAR) 應用包括自駕車、無人機、倉庫自動化和精準農業。這些應用執行時大多都有人在場，因此引發光達雷射是否有傷害眼睛的疑慮。要避免受傷，汽車的光達系統必須符合 IEC 60825-1 Class 1 安全要求，同時發射功率最高為 200 W。

一般的解決方案，會在 1 至 2 MHz 的重複率下使用 1 至 2 ns 的脈衝。這種做法難度很高，因為需要使用微控制器或其他大型數位積體電路 (IC) 來控制雷射二極體，但不能直接驅動，因此必須再增添一個閘極驅動器電路。此閘極驅動器的設計也必須最佳化，以確保光達系統的效能可配合美國汽車工程學會 (SAE) Level 3 和更高級的先進駕駛輔助系統 (ADAS)。

要使用離散元件設計出高功率、高效能且符合 IEC 60825-1 安全要求的閘極驅動器，過程複雜耗時，可能會增加成本並延長上市時間。要克服這些難題，設計人員可使用整合式高速閘極驅動器 IC，並搭配氮化鎵 (GaN) 功率場效電晶體 (FET)。使用整合式解決方案就可將寄生效應降至最低，以免其導致驅動訊號的完整性衰退，尤其是在大電流雷射功率迴路中，如此就可將大電流驅動器放在電源開關附近，能將高頻率切換雜訊的影響降至最低。

本文將簡單介紹光達。文中將探討應用和安全要求，接著會說明汽車光達在設計上的難題，主要著重於大電流雷射功率迴路。接著會介紹 Efficient Power Conversion (EPC)、Excelitas Technologies、ams OSRAM 和 Texas Instruments 推出的光達解決方案，包括 GaN 功率 FET、閘極驅動器和雷射二極體，以及能加速開發流程的評估板和實作指引。

光達的運作原理

光達系統會測量雷射光束脈衝的往返飛行時間 (ToF) (Δt)，藉此計算與物體的距離 (圖 1)。距離 (d) 能以公式 d = c * Δt/2 算出，其中 c 是空氣中的光速。短時脈衝是光達的關鍵要素之一。由於光速大約是 30 cm/ns，因此一道 1 ns 光達脈衝的長度大約為 30 cm。這會將可解析的最小特徵尺寸下限設定在大約 15 cm。因此，光達脈衝時間必須限制在幾 ns，才可達到適合人類環境使用的實用方案。

圖 1：光達使用 ToF 量測值來偵測物體及判定物體的距離。(圖片來源：ams OSRAM)

光達的主要規格包括脈衝寬度、峰值功率、重複頻率和工作週期。例如，光達系統中典型的雷射二極體可能具有以下規格：脈衝寬度 100 ns 或更低、峰值功率超過 100 W、重複頻率 1 kHz 或更高、工作週期 0.2%。峰值功率越高，光達的偵測距離越長，但散熱性則有所犧牲。若脈衝寬度為 100 ns，平均工作週期通常限定在 0.1% 至 0.2% 之間，以免雷射過熱。較短的脈衝寬度，對光達的安全性也有幫助。

IEC 60825-1 針對雷射安全性有規定最大允許暴露值 (MPE)，這是指幾乎不會對眼睛造成損傷的最高光源能量密度或功率。為使損傷機率微乎其微，MPE 功率位準限制在大約 10% 的能量密度，這讓眼睛受損的機率為 50%。在恆定功率位準下，脈衝寬度越短，平均能量密度就越低，且越安全。

雖然光達只要測量 ToF 一次就能確定與物體的距離，但也能測量 ToF 數千或數百萬次以產生三維 (3D) 點雲 (圖 2)。點雲是一連串資料點，其中儲存了稱為分量的大量資訊。每個分量都含有屬性描述值。分量可包括 x、y 與 z 座標，和用於測量物體移動的強度、顏色與時間資訊。光達的點雲可產生目標區域的即時 3D 模型。

圖 2：光達系統結合大量 ToF 量測值，可產生 3D 點雲和目標區域的影像。(圖片來源：EPC)

使用 GaN FET 來驅動光達雷射

GaN FET 的切換速度比矽晶 FET 快得多，因此適合需要非常窄脈衝寬度的光達應用。例如，EPC 的 EPC2252 是一款通過 AEC-Q101 汽車認證的 80 V GaN FET，電流脈衝可達 75 A (圖 3)。EPC2252 的最大導通電阻 (RDS_(on)) 為 11 mΩ，最大總閘極電荷 (Q_g) 為 4.3 nC，源極汲極恢復電荷 (Q_RR) 為 0。

IC 以晶粒大小的球柵陣列 (DSBGA) 型式供貨。這意味著鈍化晶粒會直接黏著於焊球上，未採用其他任何封裝。因此，DSBGA 晶片和矽晶粒一樣大，可將外型尺寸縮減到最小。在本例中，EPC2252 採用 1.5 x 1.5 mm 尺寸的 9-DSBGA 進行實作。接面到板件的熱阻為 8.3 °C/W，因此適合用於高密度系統。

圖 3：EPC2252 GaN FET 通過 AEC-Q101 認證，適用於驅動汽車光達系統中的雷射二極體。(圖片來源：EPC)

設計人員可利用 EPC 的 EPC9179 開發板，在總脈衝寬度 2 至 3 ns 的光達系統中使用 EPC2252 快速展開設計 (圖 4)。EPC9179 含有 Texas Instruments 的 LMG1020 閘極驅動器，此元件能以外部訊號或板載窄脈衝產生器 (精準度達次奈秒) 進行控制。

圖 4：在此顯示 EPC2252 GaN FET 的 EPC9179 展示板及其他關鍵元件。(圖片來源：EPC)

這款開發板隨附 EPC9989 中介板，其由 5 x 5 mm 的分接中介層組成 (圖 5)。這些中介層可對應許多常見的表面黏著雷射二極體的安裝覆蓋區 (如 SMD 與 MMCX)，以及可搭配 RF 連接器及其他多種負載的佈局。

圖 5：EPC9989 中介板提供一系列中介層，例如右上角的 SMD 雷射中介層就可折斷，以搭配 EPC9179 展示板使用。(圖片來源：EPC)

Excelitas Technologies 的 TPGAD1S09H 脈衝雷射 (圖 6) 的發射波長為 905 nm，可搭配 EPC9989 中介板使用。這款雷射二極體利用裝在無鉛層壓載體上的多層單晶片，提供出色的熱效能，波長溫度係數 (Δλ/ΔT) 為 0.25 nm/°C。此量子阱雷射搭配適當驅動器時，上升和下降時間小於 1 ns。TPGAD1S09H 可用於表面黏著應用及混合式整合。發出的雷射光能與安裝平面平行或垂直，並採用環氧樹脂封裝，可支援低成本的大量製造。

圖 6：TPGAD1S09H 脈衝雷射可產生非常高的峰值脈衝，且發出的雷射光可與安裝平面平行或垂直。(圖片來源：Excelitas)

ams OSRAM 的 SPL S1L90A_3 A01 (圖 7)，是另一款能搭配 EPC9989 中介板的雷射二極體。這款單通道 908 nm 雷射模組能提供 1 至 100 ns 的脈衝寬度，峰值輸出功率達 120 W。此產品支援的工作溫度範圍為 -40 至 +105 °C，工作週期為 0.2%，並採用 2.0 x 2.3 x 0.69 mm 的緊湊 QFN 封裝。

圖 7：SPL S1L90A_3 A01 雷射二極體產生的脈衝介於 1 至 100 ns，可搭配 EPC9989 中介板使用。(圖片來源：ams OSRAM)

若光達系統需採用極窄的脈衝寬度，設計人員可使用 Texas Instruments 的 LMG1025-Q1；這是一款單通道低側閘極驅動器，輸出脈衝寬度可達 1.25 ns，可促成符合 IEC 60825-1 Class 1 安全要求的強大光達系統。具有窄型脈衝寬度、快速切換能力和 300 ps 的脈衝失真度，因此可在遠距離下達到精準的光達 ToF 測量。

傳播延遲為 2.9 ns，能改進控制迴路的回應時間，並採用 2 x 2 mm QFN 封裝，可將寄生電感降至最低，即可在高頻光達驅動電路中支援大電流、低振鈴的切換。LMG1025-Q1EVM 是一款用於 LMG1025-Q1 的評估模組，其中有一塊區域，可容納代表典型雷射二極體的電阻式負載，或在完成電阻式負載的驅動脈衝微調後，用於安裝雷射二極體 (圖 8)。

圖 8：LMG1025-Q1EVM 展示板在初始配置下，能容納代表典型雷射二極體的電阻式負載。(圖片來源：Texas Instruments)

結論

設計人員在開發汽車光達系統時面臨越來越多挑戰，需達到具有公分級解析度的即時 ToF 量測，同時符合 IEC 60825-1 Class 1 安全要求。如本文所述，GaN FET 能搭配多種雷射二極體使用，可產生高效能汽車光達所需要的奈秒脈衝寬度及高峰值功率。

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