【導讀】LiDAR (激光雷達) 可以精準地進行距離與空間量測，已經(jīng)廣泛地應用在車輛自動駕駛、掃地機器人與一些工業(yè)應用，隨著LiDAR技術日益成熟、產品價格更具競爭力，市場發(fā)展相當快速。本文將為您介紹LiDAR的技術發(fā)展，以及由ROHM (羅姆半導體) 推出的LiDAR大功率激光二極管與高速柵極驅動器參考設計。
激光雷達帶動新服務的創(chuàng)新
LiDAR是一種光學遙感技術，它通過向目標照射一束脈沖激光來測量目標的距離等參數(shù)，它在汽車業(yè)界已經(jīng)應用了一段時間，可用于自動駕駛的物體距離精確測量、確定空間等功能，此外也在其他應用領域迅速發(fā)展，像是在掃地機器人和無人搬運車 (AGV) 中，可用于實現(xiàn)檢測障礙物，并通過算法來計算前進路線。另外，運用LiDAR來掌握高速公路的交通量，以便避開塞車的路段，以及基于3D繪圖的地圖數(shù)據(jù)服務也被廣泛應用。
此外，利用由LiDAR獲得的實時點云數(shù)據(jù)并結合AI算法，可實現(xiàn)物體認知和行為預測，此外，通過LiDAR獲得的重要數(shù)據(jù)和高精度化的需求也越來越高，隨著LiDAR特性的進一步提升，不僅是汽車市場的需求，還適用于工業(yè)和基礎設施領域，也有望帶動新服務的創(chuàng)新。
針對LiDAR和物體檢測應用，為了提高物體位置的正確性、物體檢測距離的延伸、物體檢測圖像的高精細化、物體檢測算法的正確性，LiDAR傳感器需要具備更遠的感測距離和高分辨率，高精細且高功率的光束光源是不可缺少的，因此不僅要提高用于發(fā)光的激光二極管的特性，還需要以更快的速度和更高的功率驅動激光二極管。
激光光源和高頻驅動技術
目前，CMOS圖像傳感器和激光二極管光源相結合的圖像傳感技術已被廣泛應用于各個領域，該技術的特點是無需接觸被測物即可測量與被測物之間的距離以及被測物的形狀等，在工業(yè)設備和車載領域，各種機器人自動化和汽車自動駕駛用途中使用LiDAR模塊創(chuàng)新被寄予厚望。
通過LiDAR模塊獲取的距離數(shù)據(jù)通常被稱為“點云圖”或“3D深度圖”，其圖像數(shù)據(jù)的每個像素都存儲了從LiDAR模塊到被測物之間的距離數(shù)據(jù)。尤其是在汽車自動駕駛領域，必須能夠覆蓋更遠的距離，因此業(yè)內相關廠家紛紛發(fā)力開發(fā)更高分辨率的點云圖像技術。點云的分辨率取決于其一個像素能夠覆蓋的范圍大小，一個像素的大小取決于感光元件的像素大小、激光束的掃描間距和激光束光斑的大小。
由于LiDAR適用于超過幾十米遠的較長測距范圍，所以要想提高其分辨率，如何減小透鏡出射光束的發(fā)散角至關重要。因此，需要選擇光源尺寸盡可能小的半導體激光器和焦距盡可能長的透鏡。
另一方面，在LiDAR運用中，由于能夠發(fā)送窄脈沖信號，構筑了能夠得到更高精細的圖像系統(tǒng)，因此最合適應用能夠進行高頻驅動的GaN器件。與SiC器件一起被關注的寬帶隙半導體之一的GaN器件，與以往的Si半導體相比，是能夠大幅削減單位面積導通電阻的器件，在相同的導通電阻產品中，芯片尺寸可減小，開關損耗可大幅度降低 (與Si相比減少約65%)。SiC器件向更高耐壓、更大功率持續(xù)進化，GaN器件則向更高頻驅動方向發(fā)展。
激光雷達應用的關鍵解決方案
為了應對日益增長的激光雷達應用市場，ROHM提供激光二極管、GaN HEMT (EcoGaN?) 和GaN柵極驅動器等解決方案，這些都是提高激光雷達特性的關鍵部件。
ROHM以獨自的專利技術，成功開發(fā)了能夠取得高精細圖像的高功率激光二極管。作為75W產品的RLD90QZW3實現(xiàn)了激光二極管的窄發(fā)光寬度，相對于競品290μm，減少22%到225μm，可實現(xiàn)高光束性、窄發(fā)光區(qū)域及高光學密度，可實現(xiàn)更高的分辨率和更寬的檢測范圍。另外，激光波長的溫度依賴性與競品的0.25nm/℃相比，改善了40%達到0.15nm/℃，因此能夠使用窄波長帶通濾波器，能夠在窄波長范圍內進行系統(tǒng)設計。這意味著信噪比 (S/N比) 得到改善，從而能夠準確地測量距離更遠的物體。而且，通過ROHM獨特的技術，在實現(xiàn)窄發(fā)光寬度的同時，PCE (Power-Optical Conversion Efficiency) 也達到業(yè)界頂級的21%，抑制了功耗的增加。
在汽車應用領域，需要進一步擴大測距范圍，對更高輸出功率的半導體激光器需求強勁。因此，除了RLD90QZW3之外，ROHM還發(fā)布了120W級的RLD90QZW8，其額定輸出光功率是RLD90QZW3的1.6倍。通常，要想提高輸出光功率，就需要增加光源的尺寸，RLD90QZW8的光源尺寸是RLD90QZW3的1.2倍左右。
在車載應用中，測距范圍達100m以上，因此需要選擇輸出光功率高的激光二極管，同時還需要產品具備能夠將透鏡出射光束發(fā)散角抑制得盡可能小的光學設計技術。RLD90QZW8是業(yè)內率先推出的兼具120W高輸出功率和20deg快軸發(fā)散角的產品。未來，ROHM將繼續(xù)發(fā)揮業(yè)界超高水準的光束質量技術優(yōu)勢，通過優(yōu)質的激光二極管產品為圖像傳感領域的創(chuàng)新貢獻力量。
ROHM將以這些先進的技術，增強LiDAR運用的激光二極管的陣容，引領高功率化的市場趨勢。另外，ROHM不僅可以提供封裝產品，還可以提供芯片，用戶自己可應用于多晶元封裝模塊的開發(fā)，因此可設計出更具特征的LiDAR系統(tǒng)。
ROHM目前已經(jīng)確立了GaN器件的量產體制，與競爭產品相比，柵極-源極間耐壓提高到了8V，開關動作時的過沖破壞的余量也提高了約30%，因此是一個讓電路設計容易的器件。并且，采用高散熱的貼片式封裝，更容易安裝。采用比以往封裝降低55%封裝寄生電感結構，抑制特性劣化。
ROHM已經(jīng)開始提供高速柵極驅動器IC (BD2311NVX-C) 的樣品，這是驅動GaN HEMT的理想選擇。BD2311NVX-C是針對GaN HEMT驅動優(yōu)化的高速單通道柵極驅動器，輸入信號的輸出延遲減少到3.4 ns (開啟) /3.0 ns (關閉)。與EcoGaN?一樣，由于采用了表面貼裝封裝，因此它是一種易于貼裝的產品。
用于GaN HEMT和GaN HEMT驅動的柵極驅動器解決方案可以實現(xiàn)作為GaN HEMT的特點的高頻驅動。除了面向LiDAR的激光驅動以外，也適用于活用GaN器件高頻動作特長的DC/DC轉換器等。
完整的激光驅動參考設計
為加速客戶的產品開發(fā)速度，ROHM將激光二極管、GaN HEMT (EcoGaN?)、GaN驅動用柵極驅動器等在激光驅動中作為關鍵作用的各器件加以組合，開發(fā)出REFLD002參考設計。
通常，為了驅動LiDAR激光二極管要使用能高速ON/OFF的GaN HEMT，其由矩形波電路或共振電路構成。矩形波電路控制與連接電源的激光二極管串聯(lián)的ON/OFF開關，但上升／下降時間受半導體開關的速度、電路中形成的環(huán)路電感的限制。諧振型電路作為高頻驅動電路是很普遍的，但是電路常數(shù)的設計需要了解高頻。ROHM已經(jīng)開發(fā)并公開了兩種電路的參考設計，并公開了設計數(shù)據(jù) (電路圖、PCB的Gerber、BOM) 和評價數(shù)據(jù)，因此可由用戶自由進行設計參照、設計轉用。另外，由于在作為Web免費仿真器的ROHM Solution Simulator上公開了仿真電路，所以能夠輕松地執(zhí)行兩種電路方式的仿真。由于可以馬上確認變更電路常數(shù)時的波形變化，因此可以用于初期的設計討論。
除了參考設計數(shù)據(jù)外，ROHM的網(wǎng)站上還提供了應用說明、仿真模型 (SPICE模型、射線數(shù)據(jù)) 和各個產品的PCB庫數(shù)據(jù)。通過利用參考設計、參考設計電路仿真和產品數(shù)據(jù)，可以大幅減少設計和評估工時，并加快將產品推向市場的進程。
REFLD002是適用于LiDAR的大功率激光二極管高速驅動EcoGaN?和高速柵極驅動器參考設計，參考設計包括REFLD002-1與REFLD002-2，內含高速驅動LiDAR應用中的關鍵器件 —— 激光二極管，以及下一代器件“EcoGaN?” (GaN HEMT) 驅動用高速柵極驅動器 (BD2311NVX-C)，包含方波和諧振兩種電路，可應用于ADAS LiDAR、工業(yè)用LiDAR、掃地機器人、無人搬運車 (AGV) 等產品。
結語
對于今后日益增加的LiDAR運用導入，ROHM推出多款為提高LiDAR特性而成為關鍵部件的激光二極管、GaN HEMT (EcoGaN?)、提供GaN驅動用的柵極驅動器解決方案，并推出作為設計參照的參考設計，可加速用戶的產品市場導入過程。
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