采用氮化镓场效应管驱动激光器，有助于提升激光雷达系统的探测距离、分辨率及实时成像能力。本文将总结低压侧谐振脉冲驱动方案中氮化镓场效应管的优势，并探讨其中的部分设计挑战。

激光雷达激光驱动要求

激光雷达是一种基于光波长的遥感技术。其基本原理是驱动激光发射器，使输出光束进入可操控的光学系统，该系统发射并随后接收反射光。反射光被送入光电接收器，通过信号处理生成反射激光物体的三维地图。相较于其他技术，激光雷达在低能见度条件下表现优异，并可根据探测距离和速度进行定制。激光雷达系统类型多样，例如飞行时间法、多普勒频移法、光谱法等。

飞行时间法激光雷达已成为汽车高级驾驶辅助系统中碰撞检测和实现自动驾驶功能的主流技术。飞行时间法激光雷达可分为两类：直接飞行时间法，是汽车和长距离传感中最常用的方法，它利用激光输出的单个脉冲，通过计算发射与接收脉冲之间的时间延迟间隔来测量目标距离，公式为：距离 = (光速 × 时间延迟间隔)/2，其中光速约为30厘米/纳秒;间接飞行时间法适用于短距离应用，利用发射与接收脉冲包络之间的相位差来计算距离。

许多其他应用也利用激光雷达独特的物体检测和成像能力，例如工业机器人、无人机等。

目标距离达300米的长距离激光雷达需要50-500安培的高电流水平和几纳秒到几十纳秒的脉冲宽度。相比之下，适用于低至1米距离的短距离激光雷达则需要几百皮秒范围的脉冲宽度和几安培到几十安培的电流。

对于直接飞行时间法系统，更短的脉冲能提供更好的分辨率，使时间延迟间隔易于区分。驱动激光器的高脉冲幅度(电流)将增加激光雷达的探测距离，其限制可由激光器热规范和人体安全性设定。因此，总体目标是获得短、高质量(即最小振铃/振荡)且高电流的脉冲。

氮化镓场效应管具有多项独特优势，使其成为此应用的理想选择。其输入电容可比同电流等级硅基mosfet低10倍，从而实现更快的开启速度。在此应用中，封装和PCB寄生走线电感可能是性能的关键限制因素。作为横向器件，增强型氮化镓高电子迁移率晶体管可采用极低电感封装制造，从而实现更短、更高电流的脉冲。

接下来，我们来看一种基于氮化镓场效应管的激光驱动方案。

低压侧谐振脉冲驱动器

高效功率转换公司(EPC)生产增强型氮化镓场效应管和集成电路。一份优秀的应用笔记详细介绍了EPC氮化镓场效应管和开发板在激光雷达激光驱动中的应用。此处采用的驱动技术是低压侧谐振脉冲驱动器，如图1所示。

图1

该谐振驱动器利用功率环路中的杂散电感L1与电容器C1形成谐振电路。当电路设计良好时，这能产生快速、高电流的脉冲，同时限制振铃和电磁干扰的影响。

电路的工作原理是：当氮化镓场效应管Q1导通时，首先释放存储在C1中的能量。由C1、L1、激光二极管D1和Q1形成的高频功率环路中的电流以谐振周期呈正弦振荡。D1随此正弦正向电流导通。当电流降回0时，Q1关断，使C1重新充电至VIN电源电压。基本计算有助于推导输出电流脉冲的特性，如下式所示：

其中，tw为半高全宽脉冲宽度，IDLpeak为产生的峰值电流，VDLF为该电流下D1的正向压降。该电路的一些关键特性是：

对于给定的输出脉冲，VIN需要随L1几乎线性增加;即，低L1能够以较低的VIN产生短的tw和/或高的IDLpeak。例如，假设VDLF = 12 V，要产生50安培、2纳秒的脉冲，在VIN约为80伏时，需要L1约为1.5纳亨。保持低L1允许使用100伏范围或更低的VIN电压和氮化镓场效应管，实现更简单、更具成本效益的设计。

采用晶圆级芯片规模封装的EPC氮化镓场效应管具有诸多优势，包括低封装电感。例如，如果需要为源极引脚进行引线键合，50微米的导线会产生50皮亨的共源电感。如果激光电流的压摆率为100安培/纳秒，该Lcs上产生的相关电压将为5伏，这将使得典型阈值电压低于2伏的增强型氮化镓场效应管在标准5伏栅极驱动条件下无法工作。

激光器引脚可能占L1总量的很大一部分。通孔激光器至少会产生5纳亨的L1，这意味着在VIN为100伏范围内、峰值电流为50安培时，脉冲宽度将大于或等于10纳秒。更高的VIN意味着需要更高额定值的元器件，进而由于走线之间需要更高的间隙而导致收益递减的循环。表面贴装激光器在相同的VIN下可以实现2-3纳秒的脉冲。

在IDLpeak较高时需要较大的C1，这意味着对于给定的VIN，tw较大。

EPC拥有多种开发板和氮化镓场效应管，可用于验证和表征图1所示的电路。由于激光器中的功耗是场效应管温升的主要来源，这些设计中的理念是获得最短的脉冲，以满足场效应管在125°C工作温度下的额定电流规格。EPC9179是开发板套件的一部分，该套件还包括EPC9180和EPC9181。该板的最大VIN额定值为70伏。一块转接板允许用户从多种商用激光二极管中进行选择。采用德州仪器的共地LMG1020栅极驱动器。

图2显示了使用符合汽车级标准的EPC2252 eGaN FET时，EPC9179板实现的脉冲波形。EPC2252采用1.5 x 1.5毫米晶圆级芯片规模封装，低电感。其叉指状源极和漏极端子使得PCB设计能够让栅极和功率环路的源极电流以相反方向流动，从而降低互感。

图2

使用了欧司朗SPL S1L90A_3 A01，该器件为905纳米波长、表面贴装、单通道三结边发射激光器。在VIN = 70伏、IDLpeak为63.1安培的条件下，实现了1.96纳秒的tw。