氮化鎵（GaN）功率器件正逐漸成為LiDAR傳感器的核心模塊之一，這得益于其具有超快的開關(guān)速度和較低的寄生效應(yīng)。這些特性使得氮化鎵功率器件能夠在高總線電壓和窄脈沖寬度的情況下實(shí)現(xiàn)高峰值電流。
為了迎接自動(dòng)駕駛汽車的未來，汽車系統(tǒng)中必須采用更先進(jìn)的傳感器。在用于檢測(cè)自動(dòng)駕駛汽車周圍物體的眾多傳感器中，激光雷達(dá)（LiDAR）是應(yīng)用較為廣泛的一種。它通過激光發(fā)射光線，并測(cè)量場(chǎng)景中的反射光，有點(diǎn)類似于基于光的雷達(dá)。汽車的車載計(jì)算機(jī)可以利用這些數(shù)據(jù)來判斷汽車與周圍環(huán)境的關(guān)系，以及道路上其他車輛和物體的存在情況。
LiDAR傳感器必須基于一個(gè)非常快速的開關(guān)，該開關(guān)為激光二極管產(chǎn)生電壓脈沖。電壓持續(xù)時(shí)間可能只有幾納秒。LiDAR的脈沖頻率通常能夠達(dá)到500kHz到1MHz。因此，需要一種上升和下降時(shí)間都非常短的功率開關(guān)器件。氮化鎵功率高電子遷移率晶體管（HEMT）技術(shù)往往具有非常快的開啟和關(guān)閉速度，以及較高的脈沖電流能力。LiDAR傳感器非常適用于這些功率處理需求。
這些氮化鎵功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管必須與柵極驅(qū)動(dòng)器搭配使用，以驅(qū)動(dòng)它們工作。例如，德州儀器(TI)的LMG1020是一款低邊驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)用于控制氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管和邏輯MOSFET，適用于高速系統(tǒng)，包括LiDAR和用于面部識(shí)別等其他ToF傳感器。它們也適用于幾乎所有需要低邊驅(qū)動(dòng)器的功率轉(zhuǎn)換器。
下圖展示了氮化鎵功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管和柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路如何融入LiDAR傳感器中。參考設(shè)計(jì)包括一個(gè)低邊氮化鎵柵極驅(qū)動(dòng)器，它能夠以一種在短傳播延遲的情況下，以超過100瓦的功率輸出0.5納秒激光光脈沖的方式，來驅(qū)動(dòng)氮化鎵功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
LiDAR傳感器的基本原理
LiDAR傳感器使用脈沖激光來檢測(cè)車輛周圍物體的存在，并精確繪制與它們的距離。車載計(jì)算機(jī)將能夠解讀車輛與其周圍環(huán)境的關(guān)系。
LiDAR的原理是將激光指向一個(gè)表面，然后發(fā)送一個(gè)短激光脈沖，并測(cè)量光返回傳感器所需的時(shí)間，使用公式計(jì)算距離：距離=光速×經(jīng)過時(shí)間）/2。由于LiDAR能夠以毫米級(jí)精度在遠(yuǎn)距離上捕獲距離和深度信息，它正成為未來自動(dòng)駕駛汽車最重要的傳感器之一。
雖然LiDAR的未來應(yīng)用領(lǐng)域是自動(dòng)駕駛，但它也被用于其他方面，包括：
環(huán)境監(jiān)測(cè)：LiDAR傳感器可用于地形測(cè)繪、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)以及森林樹冠分析等。
航空航天：LiDAR還可用于各類飛行器（尤其是無(wú)人機(jī)）的地形測(cè)繪、障礙物檢測(cè)和測(cè)高。
考古學(xué)：LiDAR也被用于幫助考古學(xué)家通過大規(guī)模掃描發(fā)現(xiàn)隱藏的建筑結(jié)構(gòu)和地貌。
LiDAR的主要優(yōu)勢(shì)包括：
更高的精度：這對(duì)于需要詳細(xì)空間數(shù)據(jù)（即關(guān)于物體物理位置和形狀的任何信息）的應(yīng)用至關(guān)重要。
更高的幀率：這對(duì)于在繁忙道路上或其他動(dòng)態(tài)環(huán)境中行駛的汽車來說非常有價(jià)值。
魯棒性和可靠性：LiDAR傳感器也非常適合在惡劣環(huán)境條件下導(dǎo)航，例如濃霧、灰塵或雨水，這些條件下相機(jī)可能會(huì)遇到困難。
更高的橫向分辨率：這在詳細(xì)的3D測(cè)繪中非常有用。
GaN在LiDAR傳感器中占據(jù)的優(yōu)勢(shì)
當(dāng)使用LiDAR傳感器捕獲距離和深度信息時(shí)，更短的脈沖寬度（PW）將能實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。然而，使用更高的脈沖幅度則會(huì)增加檢測(cè)范圍。
集成氮化鎵功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GaN power FETs）和超快柵極驅(qū)動(dòng)器IC將提高開關(guān)速度并降低功率損耗，為更先進(jìn)的LiDAR傳感器的發(fā)展開辟道路。氮化鎵功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管利用了最新的硅基氮化鎵（GaN-on-Si）工藝技術(shù)的所有品質(zhì)因數(shù)（FOM），而柵極驅(qū)動(dòng)器則是專門為提高轉(zhuǎn)換速率而設(shè)計(jì)，這對(duì)傳感器的性能提升也大有裨益。
通過結(jié)合這些功率組件，并優(yōu)化其PCB布局，可以實(shí)現(xiàn)更高的激光功率，同時(shí)減少振鈴現(xiàn)象，從而改善EMI和熱性能。這些得到改善的性能指標(biāo)有助于實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和更大的檢測(cè)范圍。
