以氮化鎵消除LiDAR障礙

作者 : Davide Di Gesualdo,Power Electronics News特約作者

ADAS既是一種對駕駛有用的工具,又是一種用來滿足更高安全標準要求的解決方案,其中,光達(LiDAR)是ADAS最重要的元素之一,它可以用來實現行人偵測系統、盲點偵測和主動式定速巡航控制。通常,它對於需要檢測和勘測車輛周圍所有元素的所有應用都適用。不難理解,光達的設計對獲得安全的自動駕駛車來說至關重要...

自動駕駛車正在成為現實,這種應用透過使用許多高性能的智慧感測器來實現。數位和微控制器(MCU)領域的技術進步,使我們可以為先進駕駛輔助系統(ADAS)開發各種感測器,例如實現車道保持、主動式定速巡航控制(ACC),以及在超車期間偵測盲點的結構。ADAS既是一種對駕駛有用的工具,又是一種用來滿足更高安全標準要求的解決方案,其中,光達(LiDAR)是ADAS最重要的元素之一,它可以用來實現行人偵測系統、盲點偵測和主動式定速巡航控制。通常,它對於需要檢測和勘測車輛周圍所有元素的所有應用都適用。不難理解,光達的設計對獲得安全的自動駕駛車來說至關重要。

什麼是光達,它又是如何工作?

光達的全稱是光檢測和測距,即透過光波段中的電磁輻射所進行的(遠端)檢測和測量。這種裝置採用了經典、簡單的雷達原理,不同的是它使用的是由雷射脈衝所組成的光束。用於計算射線源與任何物體之間距離的技術又稱為飛行時間(ToF),如圖1所示,與雷達相比,光學裝置即使在長距離下也具有更高的解析度,因此,它可以獲得更詳細的三維影像,再經過中央單元處理就可以避免碰撞。

圖1 ToF技術。(圖片來源:www.hamamatsu.com)

我們瞭解光達的原理已有數十年的歷史,其應用涉及醫療、軍事,以及汽車等許多領域。但是,使用雷射光束會帶來一些重要的技術問題:一方面,如果雷射被證明是一種高解析度光源,那麼就可以充分利用這一特性,透過掃描來仔細重建環境的形態;另一方面,它需要具有較高的機械精確度和奈秒(ns)級的脈衝速度;此外,雷達的電磁波具有高反射係數,而對於雷射而言卻不是如此,因此就需要為系統提供更多的能量。由於雷射光束是依靠大電流(甚至達數十安培的數量級)流過LED所產生,因此,為了防止過熱,其工作週期就必須非常低。要實現高脈衝速度和高能量,系統中的電子裝置就需要提供非常大的功率,因此,要增加系統功率,就不可避免地會帶來以下技術挑戰:

  • 電源元件的散熱管理及散熱器的設計
  • 電路能效
  • 根據極限溫度找到合適的模組
  • 最佳化電路板佈局而最大程度降低寄生元件

光達內部:雷射驅動器

光達的雷射器是由專門設計的電路所驅動,它能夠在短時間內提供大量電流。普通的驅動器是由一個與雷射器串聯、充當電流開關的元件所構成,實現這種驅動器最常用的電路拓撲之一是電容放電諧振電路,如圖2所示。

圖2 電容放電諧振電路。(圖片來源:epc-co.com)

Q1和DL分別是待啟動的雷射器的開關和LED。一旦控制器關閉,C1電容就立即充電至VIN電壓;當Q1導通時,C1透過DL和L1電感放電,從而就形成了諧振電路。因此,流過雷射器的電流就是正弦脈衝iDL,直到LED兩端的電壓高於其正向電壓VDLF為止。當DL上的電壓小於VDLF時,C1再次開始充電。

這種簡單電路的優點有很多:

  • 如果寄生電感已知,就可以對其加以利用;
  • 傳輸到雷射的能量與VIN直接相關;
  • 只有一個單端開關元件,因此很容易控制;
  • 傳輸到雷射器的脈衝,其持續時間小於開關元件的控制導通時間。

面對現實時,電路的技術方面存在衝突。在實際的光達系統中,傳統的矽元件(例如MOSFET)無法為其雷射驅動器實現提供必要的性能。為了增強控制,MOSFET的通道必須很大,這會導致寄生電容的充電時間過長,從而導致開關頻率太低而不滿足應用所需。此外,散熱管理要達到良好的效果,就需要使用大體積、大重量的散熱器。

氮化鎵(GaN)元件可滿足所需參數

上述問題很難透過使用矽元件來解決,並且需要由經驗豐富的、擅長電源和高頻領域工作的工程師和設計人員來進行。

創新的寬能隙技術元件則具有理想的特性,目前的電子工程師可以利用這類元件來滿足汽車領域對光達系統的需求。

圖3 氮化鎵元件的基本結構。(圖片來源:www.st.com)

氮化鎵元件的電子遷移率是矽元件的數百倍,其能隙為3.4eV。與同類的矽產品相比,氮化鎵MOSFET具有更低的傳導損耗、更高的開關速度、更好的熱性能,以及更小的尺寸和成本,所有這些特性都可以滿足驅動器電路開關元件的需求。

總結

氮化鎵元件在商用設備中的運用還只是開始。事實證明,這類幾年前還被認為是不可能或過於複雜的技術解決方案,如今在許多領域都獲得了成功,例如光達系統中的電源驅動器。因此可以肯定的是,在未來幾年,寬能隙元件將會成為電力電子領域的主流,這樣就可以解決「舊」半導體元件的技術局限性。

(參考原文:GaN quells LiDAR’s barriers,by Davide Di Gesualdo)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年1月號數位板雜誌

 

 

 

 

 

 

 

 

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