GaN功率FET及背后栅极驱动器在LiDAR传感器中的作用

氮化镓 （GaN） 功率器件因其超快的开关速度和有限的寄生效应而成为 LiDAR 传感器的核心构建模块之一，从而在高总线电压和窄脉冲宽度下实现高峰值电流。

为了迎来自动驾驶汽车的未来，必须在车辆系统内使用更先进的传感器。LiDAR 是检测自动驾驶汽车周围物体存在的更广泛使用的传感器之一，它是光检测和测距的缩写，它从激光射出光并测量场景中的反射，有点像基于光的雷达。车辆的车载计算机可以使用这些数据来解释汽车与周围环境的关系以及道路上是否存在其他汽车和物体。

LiDAR 传感器必须基于一个非常快速的开关，该开关为半导体激光管产生电压脉冲。电压的持续时间可能只有几纳秒。LiDAR 的脉冲频率通常能够在 500 kHz 到 1 MHz 之间。因此，需要一个具有非常短的上升和下降时间的功率开关器件。GaN 功率 HEMT 技术往往具有非常快的导通和关断速度以及高脉冲电流能力。这些功率处理能力非常适合 LiDAR 传感器。

GaN：在电力电子领域大放异彩

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这些 GaN 功率 FET 必须与栅极驱动器配对才能驱动它们。例如，Texas Instruments 的 LMG1020 是一款低侧驱动器，旨在控制高速系统的 GaN FET 和逻辑电平 MOSFET，包括 LiDAR 和其他用于面部识别的飞行时间 （ToF） 传感器。它们还可以在几乎所有需要低侧驱动器的电源转换器中工作。

该图显示了 GaN 功率 FET 和栅极驱动器 IC 如何适应 LiDAR 传感器。该参考设计包括一个低侧 GaN 栅极驱动器（LMG1020 或 LMG1025-Q1），它可以驱动 GaN 功率 FET，从而以超过 100 W 的功率提供 0.5 ns 的激光光脉冲，并具有较短的传播延迟。

图 LiDAR 传感器驾驶员级的框图。

LiDAR 传感器使用脉冲激光形式的光来检测车辆周围物体的存在，并精确绘制到它们的距离。车载计算机将能够解释车辆与周围环境的关系。

LiDAR 的原理是将激光对准一个表面，然后发出一个短激光脉冲并测量光返回传感器所需的时间，使用以下公式计算距离：距离 =（光速 × 经过的时间）/2。LiDAR 正在成为未来自动驾驶汽车最重要的传感器之一，因为它能够以毫米级的精度和远距离捕获距离和深度信息。

虽然它的未来是自动驾驶，但它也用于其他应用，包括：

• 环境监测：LiDAR 传感器可用于地形测绘、监测空气质量和森林冠层分析等用途。

• 航空 航天：LiDAR 还可用于各种飞机（尤其是无人机）的地形测绘、障碍物检测和测高。

• 考古学：LiDAR 还被用于帮助考古学家使用大规模扫描来发现隐藏的结构和景观。

LiDAR 的主要优势包括：

• 更高的准确性：这对于需要详细空间数据（即有关对象物理位置和形状的任何信息）的应用程序来说至关重要。

• 更高的帧速率：这对于在繁忙道路或其他动态环境中行驶的汽车来说非常有价值。

• 稳健性和可靠性：LiDAR 传感器也非常适合在摄像机可能难以应对的恶劣环境条件下导航，例如大雾、灰尘或雨水。

• 更高的横向分辨率：这在详细的 3D 映射中非常有用。

当使用 LiDAR 传感器捕获距离和深度信息时，较短的脉冲宽度 （PW） 将实现更好的分辨率。但是，当使用更高的脉冲幅度时，这将增加检测范围。

集成 GaN 功率 FET 和超快速栅极驱动器 IC 将提高开关速度并减少功率损耗，为更先进的 LiDAR 传感器打开大门。GaN 功率 FET 利用了最新硅基氮化镓工艺技术的所有品质因数 （FOM），而栅极驱动器专为转换速率增强而设计，这也是传感器性能的一个福音。

通过组合这些功率组件并优化它们的 PCB 布局，可以实现更高的激光功率，同时减少振铃，从而改善 EMI 和散热。这些改进的规格有助于提高分辨率和检测范围。