瞭解驅動器、開關和雷射二極體如何讓 LiDAR 有效發揮效能

光達 (LiDAR) 系統已成為讓汽車、自動導引車 (AGV) 甚至掃地機器人「看見」周圍環境的首選方法。無人機和高空航行的飛機也都使用 LiDAR 進行更遠距離的導航與地形圖繪製。

儘管 LiDAR 已經過完善的研究，但設計人員仍須謹慎地挑選關鍵元件，例如閘極驅動器、閘極開關 FET，以及產生光脈衝所需的雷射二極體。

本文將概述 LiDAR。接著會介紹關鍵電子光學元件的範例，並展示其如何一同運作以產生必要的脈衝。

LiDAR 的運作原理

LiDAR 的工作原理是發出短暫且中等功率的連續光脈衝流，然後擷取其反射。可測量飛行時間 (ToF)，以建立能以三維 (3D) 視角呈現的周圍環境點雲 (圖 1)。許多系統會在矩陣中使用多個雷射二極體，以覆蓋更廣大的區域。

圖 1：LiDAR 的作法是建立以 3D 呈現周圍環境的點雲。(圖片來源：Blickfeld GmbH)

LiDAR 系統的效能取決於應用。跟汽車相比，系統若用於緩慢移動、區域受限的掃地機器人或 AGV，在距離和角度解析度的要求上則較為寬鬆，因為汽車用的系統必須因應更快的速度，且要對車輛、自行車騎士或行人進行反應。對汽車應用來說，要達到頂尖效能目標，有效距離要介於 100 m 至 200 m，角度解析度則為 0.1°。

雙軸機電式電流計會掃描影像區域的雷射閃光，以達到精確的點雲。由於 LiDAR 系統會測量每道發射脈衝及其相關回波的 ToF，因此可以建立具有深度視角的 3D 影像，這是車輛在周圍環境中精準導航的必備要素。

LiDAR 核心的電子光學路徑

完整的 LiDAR 系統，例如 AGV 中使用的系統，需要眾多光學、類比、處理器和機械模組彼此互連而成。系統的核心是電子光學路徑，由一個雷射式光源和一個共址的光學接收器所組成 (圖 2)。

圖 2：電子光學訊號路徑和相關元件是 LiDAR 系統的核心 (右側中排)。(圖片來源：ROHM)

產生光脈衝流之來源的訊號路徑，會由專用的微控制器單元 (MCU) 控制，其可判定所需的光脈衝重複頻率和寬度。來源路徑具有三個關鍵的運作要素：

• 閘極驅動器 可提供高速脈衝，具有快速上升和下降時間，以開啟和關閉閘極開關。
• 閘極開關 FET 能明確地開啟和關閉，以控制雷射二極體的電流。
• 雷射二極體 能以所需波長產生獨立且不重疊的光脈衝。

挑選和整合這些元件時，要瞭解電氣問題以及光學特性，例如視野、雷射二極體的功率和波長角度靈敏度以及光學訊噪比 (SNR)。先進的軟體演算法可以克服電子光學訊號路徑中的一些限制，以及感測設置中的挑戰。然而，在謹慎的工程設計下，會挑選針對 LiDAR 進行最佳化的元件，而非假設這些演算法可以彌補缺點。

可查看各項功能的代表性元件，已瞭解 LiDAR 最佳化的裝置如何因應諸多挑戰：

閘極驅動器

ROHM Semiconductor 的 BD2311NVX-LBE2 (圖 3) 是一款單通道、超快速的 GaN 閘極驅動器，非常適合 AGV 等工業應用。可提供必要的驅動電流和電壓組合。採用 6 引腳封裝，尺寸僅有 2.0 mm × 2.0 mm × 0.6 mm，可提供高達 5.4 A 的輸出電流，電源電壓範圍為 4.5 V 至 5.5 V。

圖 3：BD2311NVX-LBE2 單通道閘極驅動器可提供必要的驅動電流和電壓組合，以精確控制 LiDAR 閘極開關。(圖片來源：ROHM)

BD2311NVX-LBE2 可以驅動 GaN 高電子遷移率電晶體 (HEMT) 以及其他具有窄輸出脈衝的切換裝置，因此有助於 LiDAR 達到遠距能力和高準確度。這些脈衝相關參數包括 1.25 ns 的最小輸入脈衝寬度、0.65 ns 的典型上升時間和 0.70 ns 的典型下降時間，所有參數均具有 220 pF 負載。啟動和關閉的延遲時間分別為 3.4 ns 和 3.0 ns。

閘極開關 FET

閘極驅動器的輸出端會連接到電流控制開關裝置的控制輸入端。此裝置必須依照閘極驅動器的指示，在開啟和關閉狀態之間快速切換，並處理相當大的電流值，通常介於 50 A 至 100 A。

需要的效能水準，可透過 EPC 的 EPC2252 等裝置提供，這是一款符合汽車標準 (AEC-Q101) 的 N 通道增強模式 GaN 功率電晶體。具有極高的電子遷移率和低溫度係數，可達到超低的導通電阻 (R_DS(ON))，此外，因採用橫向裝置結構，且多數載流子二極體可提供極低的總閘極電荷 (Q_G) 和零源極漏極恢復電荷 (Q_RR)。因此，此裝置可處理能受益於超高切換頻率和低導通時間的任務，以及注重導通損耗的任務。

EPC2252 具有 80 V 漏極源極電壓 (V_DS)、11 mΩ (最大值) 的 R_DS(ON)，以及 8.2 A 的連續漏極電流 (I_D)，且特點不只如此。容易使用，且僅需要 5 V 的導通狀態閘極驅動、0 V 的關斷狀態，更不需要負電壓。因此可簡化驅動器和電源軌的考量因素。

基於其設計和裸晶佈局，閘極開關可以處理 75 A 的 I_D (T_PULSE 為 10 μs)，並封裝成 1.5 mm × 1.5 mm 的鈍化裸晶，並帶有 9 個觸點焊料凸塊 (圖 4)。封裝和裸晶寄生效應有所降低，例如 440 pF (典型值) 的輸入電容值 (C_ISS)，可支援高速脈衝效能並具有快速轉換能力。

圖 4：EPC2252 GaN 功率電晶體可提供大電流雷射二極體所需的電流切切換採用 1.5 × 1.5 mm 封裝。(圖片來源：EPC)

雷射二極體

這是光學路徑中的最後一個元件，可當作電子光學傳感器。與當作被動裝置的相機不同，雷射二極體是主動光源並會發射光輻射，在某些情況下對人眼有害。允許的最大強度由 EN 60825-1:2014「雷射產品安全」等標準進行規定。

LiDAR 系統的安全等級取決於其功率、發散角、脈衝持續時間、曝光方向和波長。大多數系統使用 905 nm 或 1550 nm 波長，皆可在雷射和合適的光電二極體之間提供可接受的效率和波長相容性。通常，1550 nm 雷射可在危險程度前，安全地發射比 905 nm 雷射器更大的功率。然而，905 nm 雷射卻較受歡迎，因為更具成本效益。

如需 905 nm 波長，ROHM 的 RLD90QZW3-00A 是針對 LiDAR 應用最佳化的脈衝雷射二極體。能以 23 A 的順向電流 (I_F) 支援 75 W 輸出，並可在三個參數層面提供優異效能：光束寬度(發散度)、光束波長窄度和光束穩定性。

光束發散度會決定光束因繞射而產生的擴散。RLD90QZW3-00A 在垂直平面 (θ_⊥) 的指定典型值為 25°，平行平面 (θ) 則為 12° (圖 5)。其雷射輸出溫度穩定性為每攝氏度 0.15 nm (nm/°C)。

圖 5：RLD90QZW3-00A 脈衝雷射二極體在垂直平面 (左) 和平行平面 (右) 的典型光束發散值分別為 25° 和 12°。(圖片來源：ROHM)

此雷射二極體的輸出波長具有窄發射寬度和穩定性，對於增強系統效能來說也至關重要，因為就可使用窄波長光學帶通濾光片。ROHM 表示，此二極體的 225 μm 範圍比現有的競品裝置小 22%，因此可支援更高的解析度和更寬的感測範圍，具有高光束清晰度、窄發射率和高光學密度。

這兩個因素可提升光學 SNR，就可針對較遠距離的物體，達到準確的感測和評估。從點雲比較圖可看出，嚴格且穩定的解析度規定有何正面影響 (圖 6)。

圖 6：RLD90QZW3-00A 脈衝雷射二極體輸出具有穩定性和一致性，可提高 SNR 和點雲解析度。(圖片來源：ROHM)

結論

LiDAR 廣泛用於擷取周圍環境的 3D 視圖和繪製地形圖。LiDAR 系統的核心具有電子和電子光學元件，並整合必備的複雜功能以構成可行系統。針對光源功能，閘極驅動器、閘極開關 FET 和雷射二極體皆須在電壓、電流、速度和穩定性方面彼此相容，以確保達到最佳效能。

相關 LiDAR 內容

• 利用正確的 TIA 確保 LiDAR 汽車距離感測器的精確度
• 瞭解 LiDAR 的運作原理即可知道仔細挑選 TIA 和比較器的重要性
• 簡化飛時測距
• 3D 飛時測距應用快速入門
• 自駕車 LiDAR 用的 GaN FET 快速指南
• 整合式時間數位轉換器能簡化飛時測距設計