激光雷达性能提升，氮化镓是关键

采用GaN FET驱动激光器，能够提升激光雷达的探测距离、分辨率与实时成像能力。本文将结合低端谐振脉冲驱动方案，梳理GaN FET的各项优势，并分析相关设计难点。

激光雷达的激光驱动要求

激光雷达（LiDAR）是一种基于光学波长的遥感技术。其基本工作原理为：驱动激光发射单元发出光束，光束经由可转向光学系统射出，接触目标后发生反射；反射光被光电接收器件捕获，再通过信号处理算法生成被测物体的三维图像。相较于其他探测技术，激光雷达在低能见度环境下表现优异，还可根据需求灵活调整探测距离与检测速度。激光雷达分为多种类型，包括飞行时间型、多普勒型、光谱型等。

飞行时间激光雷达目前已成为汽车驾驶辅助系统的主流方案，主要用于碰撞检测及自动驾驶功能。飞行时间激光雷达又可分为两类。直接飞行时间激光雷达广泛应用于车载场景与远距离探测，该方案通过发射单束激光脉冲，测算发射脉冲与接收脉冲的时间差td，并结合公式计算目标距离d，式中c代表光速（约30厘米/纳秒）。

间接飞行时间激光雷达适用于短距离探测，它依靠发射脉冲与接收脉冲的包络相位差来计算距离。

工业机器人、无人机等设备也普遍利用激光雷达的探测与成像能力开展目标识别工作。

探测距离最远可达300米的远距离激光雷达，工作电流需达到50~500安培，脉冲宽度为几纳秒至数十纳秒。而探测距离低至1米的近距离激光雷达，脉冲宽度需控制在数百皮秒级别，工作电流为数安培至数十安培。

对于直接飞行时间激光雷达系统，脉冲宽度越窄，分辨率越高，越容易精准区分时间差td。增大激光驱动脉冲的电流幅值，能够提升激光雷达探测距离，但脉冲幅值上限受激光器温度指标以及人身安全规范约束。因此，设计的核心目标是输出窄脉宽、低振荡、大电流的脉冲信号。

GaN FET具备多项独有特性，十分适配该应用场景。同等电流规格下，GaN FET的输入电容可比Si MOSFET低一个数量级，开关速度大幅提升。在本应用中，器件封装与印刷电路板走线的寄生电感会成为制约性能的关键因素。而增强型氮化镓高电子迁移率晶体管属于横向器件，可采用极低电感封装，能够输出脉宽更窄、电流更大的脉冲。

下面介绍一种基于GaN FET的激光驱动方案。

低端谐振脉冲驱动器

EPC主营增强型GaN FET及集成电路产品。该公司一份应用笔记详细介绍了旗下GaN FET与开发板在激光雷达激光驱动电路中的应用，所采用的架构即为低端谐振脉冲驱动器，如图1所示。

图1：基于氮化镓器件的低端谐振脉冲激光驱动器基础原理图（来源：EPC）

该谐振驱动电路利用功率回路杂散电感L1与电容C1构成谐振回路。合理设计电路参数，便可生成高速大电流脉冲，同时抑制振荡与电磁干扰。

电路工作原理如下：当GaN FETQ1导通时，电容C1储存的能量开始释放。由C1、L1、激光二极管D1和Q1组成的高频功率回路会按照谐振周期产生正弦振荡电流，激光二极管D1在正向正弦电流作用下点亮。当电流回落至零时，Q1关断，电容C1重新由输入电压VIN完成充电。可通过下述公式推导输出电流脉冲的各项参数：

式中，tw为脉冲半高全宽，IDLpeak为峰值电流，VDLF为激光二极管在该电流下的正向压降。该电路具备以下关键特性：

1. 对于指定输出脉冲，输入电压VIN与杂散电感L1近似呈线性正相关。也就是说，减小L1，便可在更低的VIN条件下实现窄脉宽、大电流输出。举例来说，若激光二极管正向压降VDLF=12V，想要输出峰值50安培、脉宽2纳秒的脉冲，当VIN约为80伏时，所需杂散电感L1约为1.5纳亨。将L1控制在较低水平，电路设计更简洁、成本更低，同时可选用耐压100伏及以下等级的输入电源与氮化镓器件。

2. EPC采用晶圆级芯片尺寸封装的GaN FET，封装电感极低，优势显著。例如，若源极采用50微米键合线，会引入50皮亨的共源极电感。当激光电流变化率达到100安培/纳秒时，该电感会产生5伏压降；而常规增强型氮化镓器件阈值电压不足2伏，在标准5伏栅极驱动电压下将无法正常工作。

3. 激光器件引脚是杂散电感L1的主要来源之一。直插式激光器会引入至少5纳亨的电感，在输入电压100伏区间内，输出50安培峰值电流时，脉冲宽度将达到10纳秒及以上。若继续提高输入电压，则需选用更高耐压规格的元器件，同时电路板走线之间也要预留更大安全间距，最终削弱器件本身的性能优势。同等输入电压条件下，采用表面贴装激光器可将脉冲宽度压缩至2~3纳秒。

4. 目标峰值电流IDLpeak越大，所需电容C1的容值也越大；在输入电压固定时，脉冲宽度会随之增加。

EPC推出多款开发板与GaN FET，可用于验证、测试图1所示电路。激光器功耗是氮化镓器件温升的主要来源，因此该类电路的设计思路为：在器件125摄氏度额定工作温度下，输出满足电流规格的最窄脉冲。

EPC9179是配套开发板套件之一，同系列还包含EPC9180、EPC9181，该开发板最大输入电压为70伏。搭配转接板可适配多款商用激光二极管，板载栅极驱动器为德州仪器的LMG1020（接地参考型）。

图2为EPC9179开发板搭配车规级EPC2252增强型GaN FET实测得到的脉冲波形。EPC2252采用1.5×1.5毫米晶圆级芯片尺寸封装，封装电感极低。器件的源极、漏极呈叉指式布局，在印刷电路板设计中，可让栅极电流与功率回路源极电流反向流动，进一步降低互感。

本次测试选用OSRAM 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。当输入电压VIN=70V时，实测峰值电流IDLpeak=63.1安培，脉冲半高全宽tw=1.96纳秒。