光学相控阵激光雷达(OPA LiDAR)利用集成光子学实现电子束扫描。这种方法对激光脉冲驱动提出了很高的要求。本文总结了基于半桥氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)的驱动方案，该方案在此类应用中具有应用潜力。

光学相控阵激光雷达(OPA LiDAR)

OPA LiDAR 用光学天线阵列取代了旋转的机械光束转向部件。通过改变进入每个天线的光的相位，利用所产生的重叠波包络的干涉效应，来形成一束集中的光束。这种光束转向方法采用基于CMOS产线大规模生产的硅光子集成芯片(PIC)，因此其成本效益可能远高于机械转向方案。此外，由于没有活动部件，系统的抗振可靠性得以提高。动态控制允许调整扫描分辨率，例如，在汽车激光雷达应用系统中，可以对盲区内的物体生成密集的高分辨率图像，也可以进行较低分辨率的广域扫描。OPA LiDAR 的主要应用包括汽车高级驾驶辅助系统(ADAS)、工业机器人、无人机和国防领域。

OPA LiDAR 的脉冲重复频率(PRF)要求可能高达 10 MHz 至 100 MHz。系统 PRF 由以下公式确定：

系统 PRF = 每帧点数 × 帧率

其中，每帧点数决定了像素分辨率，而帧率取决于相机，通常为每秒 10 至 30 帧(fps)。例如，在 30 fps 的帧率下实现 500,000 点/帧，则相当于 15 MHz 的 PRF。

距离与分辨率

更高的 PRF 会增加像素密度，从而提高图像分辨率。在 300 米的距离上，< 0.1° 的角度分辨率相当于大约 50 厘米的光斑尺寸。这对于系统区分路面上的碎片和动物等物体至关重要。为了实现这一点，需要使用更窄、间距更紧密的激光束。

激光器通常由电容放电产生的高电流脉冲驱动激光二极管。高功率和高频率的驱动要求之间存在固有的权衡关系，因为高电流脉冲需要更高的能量，而充电时间会相应增加。

脉冲激光系统的替代方案，如调频连续波(FMCW)技术，可以在一定程度上缓解这种权衡，但会增加计算的复杂性。

氮化镓(GaN)半桥激光雷达驱动器

在脉冲激光驱动方法中，通常采用电阻充电方式。即通过电阻对储能电容进行充电。虽然这是一种简单且成本效益高的设计，但电阻中的热损耗导致效率低下。此外，高重复频率会导致电容充电不完全，从而降低激光驱动电流。由台湾芯源系统股份有限公司(Monolithic Power Systems)的 Ching-Yao Liu 及其同事进行的一项研究[1]，评估了一种基于直接驱动耗尽型(d-mode)GaN HEMT 器件的半桥脉冲激光驱动器。电阻充电驱动器和半桥驱动器的基本电路原理图及其理想波形如图 1 所示。

图1

半桥驱动器的工作原理是：当高侧场效应晶体管(FET)导通时对电容充电，而当低侧开关导通时，将电容储存的能量通过激光二极管释放。由于通过快速开关、寄生电容小且无反向恢复电荷的 GaN HEMT 主动为电容充电，即使在高重复频率下，激光二极管的脉冲特性也能保持，而电阻充电网络则会观察到脉冲强度下降。

直接驱动耗尽型(d-mode)GaN HEMT

D-mode GaN HEMT 在栅极电压为零时处于常通状态，利用的是 HEMT 沟道中固有的高密度二维电子气(2-DEG)。与更常用的增强型(e-mode)器件相比，d-mode 器件能够实现更低的单位面积导通电阻(RDSON-sp)，且无需像 e-mode 器件那样在沟道电流与阈值电压(Vth)之间进行权衡。

另一个优点是，与 p-GaN 栅极 e-mode 器件相比，d-mode 器件的 RDSON 温度系数更低。在连续脉冲驱动电路中，温度特性至关重要，这可能是一个重要因素。在功率转换应用中，可以通过共源共栅(cascode)方式来关断这些 d-mode 器件，即使用低压CMOS器件来控制 d-mode HEMT 的栅极。另一种方法是直接驱动方式，其中串联的 Si mosfet 和控制逻辑相比共源共栅方式可能具有开关优势。德州仪器(Texas Instruments)和 ViSIC 等公司已采用此技术。

图2

该半桥激光驱动器研究[1]的作者使用了其自有的直接驱动 d-mode GaN 器件。这些额定 200 V、RDSON 为 15 mΩ 的器件在双脉冲测试系统中进行了表征。在漏极电流为 10 mA 时，其 Vth 为 -9 V。在开关 80 V、30 A 的条件下，当导通栅极电阻(Rg,on)为 4.7 Ω 时，测得的上升时间为 49 ns，包括输出电容放电在内的净开通能量仅为 26.7 nJ。

半桥激光驱动器的实验结果

使用现场可编程门阵列(FPGA)为半桥产生互补信号。GaN 直接驱动电路由隔离式栅极驱动器和缓冲级驱动。激光驱动的母线电压设置为 30 V，充放电电容为 4 nF。脉冲特性如图 2 所示。

Vgs,GaN 波形显示低侧 GaN 器件的栅极信号在 +0.7 V(导通)和 -14.3 V(关断)电压状态之间切换。电流检测电阻捕获激光二极管上的 iLD 电流，而电容两端的电压标记为 vCL。该电流脉冲设计为在 30 V 母线电压下达到 30 A，脉冲宽度为 3.5 ns。光电探测器测量激光输出光强，并以电压 vPD 显示。即使在 50 MHz 的快速重复频率下，均匀的 vCL 和 vPD 电压也证明了在这种驱动方案下，电容在每个周期都能完全充电。与电阻充电方法不同，半桥驱动能够支持这种窄脉冲宽度下的连续、高频脉冲工作。热耗散预计将是在激光雷达系统中实际实施的主要限制因素。为了最大限度减少开关转换时的电压过冲，精心布局以降低寄生效应也是一项关键要求。