用于高分辨率激光雷达的氮化镓 HEMT电路拓扑结构

2023-04-28 11:04:12 来源:EETOP编译

阅读本文,可以了解氮化镓(GaN) 高电子迁移率晶体管(HEMT) 以及它们如何用于LiDAR(光探测和测距)应用。

激光雷达(LiDAR)基于通过将光束照射到物体上并准确测量反射的飞行时间来估算距离的原理。通过将发射光扫过真实世界的场景,可以收集三维信息以供计算机系统进一步处理。LiDAR 的应用众多且还在不断增长,包括航空测量、用于 3D 建模的对象扫描和自动驾驶车辆控制。

考虑到这一点,本文将首先介绍高性能 LiDAR 系统的一些关键组件,然后展示主要电路并提供 GaN HEMT 的两种不同设计拓扑的仿真示例:双边缘方波和单边缘谐振电路。 

激光雷达用高功率脉冲激光二极管

LiDAR 系统中最常见的光源是高功率脉冲激光二极管,通常以人眼吸收范围之外的波长为中心。这些激光器产生的光束质量对于 LiDAR 系统的分辨率至关重要。如图 1 所示,通过使用高功率、锐利的发射区域设备可以显著提高分辨率。

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图 1. 高功率激光二极管提高了 3D LiDAR 传感的分辨率。 

例如,ROHM提供的激光二极管在 905 nm 时的 峰值输出功率高达 120 W,可与 LiDAR 以及同步定位和映射 (SLAM) 一起使用。

用于 LiDAR 脉冲生成的半导体开关

要为 LiDAR 产生光脉冲,这些激光器必须由半导体开关驱动。同样,开关的质量直接影响 LiDAR 图像的分辨率,通常以开启时间、峰值电流和开关损耗为特征。 

LiDAR 开关技术的一个示例是使用氮化镓(GaN) 构建的高电子迁移率晶体管 (HEMT)。与传统的硅器件相比,这些开关可以表现出极快的速度和高达 65%的低功耗,如图 2 所示。

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图 2. 与传统硅晶体管相比,HEMT 开关损耗。

对于包括 LiDAR 在内的高功率应用,GaN HEMT 器件可用于支持各种系统工作电压和功率水平。例如,ROHM Semiconductor 的 GaN HEMT 产品组合包括 150 V 和 650 V 型号。 

HEMT栅极驱动器

要利用 HEMT 器件的速度优势,必须使用高速信号正确驱动它们的栅极。在LiDAR 输出级的最前面是 HEMT 栅极驱动器,如图 3 所示。 

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图 3.为 HEMT 电路使用专门的高速栅极驱动器 IC。

这些驱动器专门设计用于提供适当的偏置电压和速度以连接 GaN HEMT 晶体管,同时还提供双输出和输出使能控制等便利功能。

使用所有这些用于控制、驱动和生成输出光脉冲的优化部件构建LiDAR 系统可确保最终输出图像具有更高的分辨率。然而,特定应用的确切电路拓扑通常从以下两种类型中选择一种:双沿方波或单沿谐振。 

双沿方波 GaN HEMT 电路

为激光二极管提供脉冲的最简单方法是使用串联开关控制电流,如图 4 的仿真示意图所示。 

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图 4. 使用方波 HEMT 驱动器配置的仿真示意图。

上图中,U1为GaN HEMT,通过RLD90QZWD 35W激光二极管直接从电源Vin灌电流。当 U1 的栅极驱动为高电平时,激光器打开,当驱动为低电平时,激光器关闭。这两个边沿控制光输出的脉冲宽度,因此称为“双边沿”或方波配置

该控制方案的仿真波形如图 5 所示,其中HEMT 上的栅极电压用红色表示,通过 HEMT 的电流用绿色表示。 

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图 5.使用方波 HEMT 栅极驱动器的栅极电压(红色)和漏极电流(绿色)。

在图 6 中,激光二极管的光输出功率以蓝色表示。

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图 6. 使用方波 HEMT 栅极驱动器的光输出功率。

虽然这种类型的驱动器可以轻松实现并提供输出脉冲宽度的灵活性,但有几个缺点使其成为高性能 LiDAR 的一个相当不受欢迎的选择。 

1. 激光器的开启速度直接受限于HEMT的开启速度和电路中的串联电感。 

2. 脉冲形状是不对称的,开启和关闭边沿都需要仔细考虑时序。 

尽管存在这些缺点,但可以通过使用更流行的谐振配置来改进这两个特性。

单边谐振 GaN HEMT 电路

如图 7 的仿真示意图所示,谐振拓扑将 HEMT 置于完全不同的角色。 

图 7. 谐振配置 HEMT 栅极驱动器的仿真示意图。

HEMT (U1) 不是直接控制通过激光器的电流,而是用于启动通过电感 L1 和电容器 C2 的谐振放电。这样,只有控制信号的前沿是重要的,因为脉冲宽度完全由与激光器串联的 LC 电路决定。

谐振配置的栅极电压和漏极电流如图 8 所示,光输出功率如图 9 所示。 

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图 8. 使用谐振配置的栅极电压(红色)和漏极电流(绿色)。 

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图 9. 使用谐振配置的光输出功率

正如这些图所示,栅极驱动的上升沿通过激光器启动 C2 中存储的能量的放电。值得注意的是,激光信号的脉冲宽度与栅极信号的下降沿无关。 

与其双沿方波对应相比,谐振设计具有几个独特的优势:

1. LC 谐振允许具有明确定义的对称性的更窄的脉冲——这对于LiDAR 来说尤其重要。 

2. 元件和电路布线中的寄生串联电感可用作 LC 谐振的一部分。不像在方波设计中那样阻碍速度,而是可以调整总电感以获得最佳性能。 

3. 激光脉冲的能量只是输入电压的一个因素。在总能量至关重要的应用中,这可以实现精确控制,而无需考虑栅极驱动的时序。 

所有这些优势的代价是设计谐振条件的复杂性。必须对杂散电感进行建模,其中包含影响整体性能的重要因素的组件和走线的物理定位和布局。一种有助于设计这些电路的有用工具是ROHM Semiconductor 的在线电路模拟器,其中包括预填充的驱动器拓扑。 

作为杂散电感影响的示例,使用增加的 L2 项重复图 7 至图 9 的仿真,以查看光输出如何受到影响。此外,如图 10 所示,当 L2 从 3 nH 增加到 6 nH 时,峰值输出功率降低了 26%,而脉冲宽度增加了近 50%。

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图 10. 增加串联电感 (L2) 的谐振配置的光输出功率

对这些参数的敏感性通常需要提前对电路进行建模,并且很可能要进行多次迭代设计和测试。此外,在不需要短脉冲或首选可变脉冲宽度的应用中,无法利用谐振优势。 

选择正确的拓扑以满足您的LiDAR 要求

随着 LiDAR 和类似的测距技术在当今世界变得越来越普遍,底层设备也必须不断发展以满足不断增长的性能要求。同时,工程师必须了解可用于在任何特定应用中取得成功的不同设计方法和工具。 

正如我们所讨论的,单边谐振电路通常为这些高速 GaN HEMT 开关应用提供改进的性能,但代价是增加了设计复杂性。如果您的应用不需要这种更高级别的复杂性,则双沿方波电路拓扑提供了一种更简单的解决方案。

来源:EETOP编译自allaboutcircuits


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