了解驱动器、开关和激光二极管在实现有效激光雷达性能方面的作用

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美编辑

激光雷达 (LiDAR) 系统已成为汽车、自动导引车 (AGV) 甚至扫地机器人“观察”周围环境的首选方法。无人机和飞行高度更高的飞机也会使用激光雷达导航并用它来绘制距离更远的地形图。

尽管对激光雷达进行了深入研究，但设计人员在选择栅极驱动器、栅极开关 FET 和激光二极管等产生光脉冲所需的关键元件时必须非常谨慎。

本文先对激光雷达提供一个概览，然后介绍了关键电子光学元件的实例，并展示这些元件如何协同工作以产生必要的脉冲。

激光雷达工作原理

激光雷达的工作原理是连续发出中等功率的短光束脉冲，然后捕捉其反射。它通过测量飞行时间 (ToF) 来建立周围环境的点云，从而呈现一个三维 (3D) 视角（图 1）。许多系统使用多个激光二极管组成矩阵，以扩大覆盖范围。

图 1：激光雷达可建立点云对周围环境进行 3D 渲染。（图片来源：Blickfeld GmbH）

应用决定了激光雷达系统的性能。与用于汽车的系统相比，用于移动缓慢、受区域限制的扫地机器人或 AGV 的系统对范围和角度分辨率的要求要宽松得多，因为汽车必须以更快的速度行驶，并对车辆、骑行者或行人做出反应。汽车应用的最高性能目标通常是 100 米至 200 米的有效范围，角度分辨率 0.1°。

双轴机电振镜扫描整个图像区域的激光闪光，以获得精确的点云。由于激光雷达系统可以测量每个发射脉冲及其相关回波的 ToF，因此可以建立具有深度透视的 3D 图像，以便车辆在周围环境进行精确导航。

激光雷达核心的电子光学路径

一个完整的激光雷达系统（如 AGV 中使用的系统）需要各种相互连接的光学、模拟、处理器和机械模块。该系统的核心是电子光学路径，它由一个激光光源和一个同地协作的光学接收器组成（图 2）。

图 2：电光信号路径和相关组件是激光雷达系统的核心（右侧中排）。（图片来源：ROHM）

产生光脉冲流的光源信号路径由专用单片机 (MCU) 控制，并决定所需的光脉冲重复率和宽度。光源路径有三个关键功能要素：

• 栅极驱动器提供具有快速上升和下降时间的高速脉冲，以打开和关闭栅极开关。
• 栅极开关 FET 的开关非常灵敏，可控制激光二极管的电流。
• 激光二极管以所需波长产生独立、不重叠的光脉冲。

选择和集成这些组件需要了解电气问题以及光学特性，如视场、激光二极管功率和波长角灵敏度以及光信噪比 (SNR)。先进的软件算法可以克服电子光学信号路径中的一些限制和所感应环境的挑战。不过慎重起见，工程设计应该选择针对激光雷达优化过的组件，而不是假定这些算法可以弥补缺陷。

通过研究上述每种功能的代表性组件，可以了解经过激光雷达优化的器件是如何应对诸多挑战的：

栅极驱动器

[ROHM Semiconductor] [BD2311NVX-LBE2]（图 3）是一款单通道、超高速 GaN 栅极驱动器，非常适合 AGV 等工业应用。它提供了必要的驱动电流与电压的组合。它采用 6 引脚封装，尺寸仅为 2.0 mm × 2.0 mm × 0.6 mm，输出电流高达 5.4 A，供电电压范围为 4.5 V 至 5.5 V。

图 3：BD2311NVX-LBE2 单通道栅极驱动器提供了必要的驱动电流与电压的组合，可精确控制激光雷达栅极开关。（图片来源：ROHM）

BD2311NVX-LBE2 可以驱动氮化镓高电子迁移率晶体管 (HEMT) 和其他开关器件，输出脉冲很窄，因此有助于满足激光雷达的远距离和高精度需要。这些脉冲相关参数包括：1.25 纳秒 (ns) 的最小输入脉宽、0.65 ns 的典型上升时间和 0.70 ns 的典型下降时间，所有这些参数均为使用 220 皮法 (pF) 负载时测得。导通和断开延迟时间分别为 3.4 ns 和 3.0 ns。

栅极开关 FET

栅极驱动器的输出端连接到电流控制开关装置的控制输入端。该器件必须根据栅极驱动器的指示，在导通和断开状态之间快速切换，并能处理相对较大的电流值，通常为 50 A 至 100 A。

[EPC 的] [EPC2252] 是一款汽车级 (AEC-Q101) N 沟道增强型氮化镓功率晶体管，可满足所需的性能水平。它具有极高的电子迁移率和低温度系数，导通电阻 (R DS(ON) ) 极低，其横向器件结构和多数载流子二极管可提供极低的总栅极电荷 (Q G ) 和零源漏恢复电荷 (Q RR )。因此，该器件可以处理开关频率较高和低导通时间较为有利的任务，以及主要损耗为导通损耗的场合。

EPC2252 的漏源电压 ( VDS ) 为 80 V，RDS(ON) 最大值为 11 毫欧 (mΩ)，连续漏极电流 (I D ) 为 8.2 A，这些数据应能说明部分问题。它易于使用，只需要 5 V 的导通栅极驱动电压，关断状态为 0 V，而且不需要负电压。这简化了对驱动器和电源轨的考虑。

由于其设计和芯片排列，栅极开关可以处理 75 A 的 I D （TPULSE 为 10 微秒 (?s)），并封装为一个 1.5 mm × 1.5 mm 的钝化芯片，带有九个接触焊接凸点（图 4）。这减少了封装和芯片寄生，如只有 440 pF（典型值）的输入电容 (C ISS )，因此支持需进行快速转换的高速脉冲性能。

图 4：[EPC2252] 氮化镓功率晶体管为大电流激光二极管提供所需的电流切换能力，封装尺寸为 1.5 × 1.5 mm。（图片来源：EPC）

激光二极管

这是光路径中的最后一个元件，起着电子光学变送器的作用。与作为被动设备的摄像头不同，激光二极管是主动光源，会发出光辐射，在某些情况下会对人眼造成伤害。最大允许强度由 EN 60825-1:2014 之类“激光产品安全”标准规定。

激光雷达系统的安全等级取决于其功率、发散角、脉冲持续时间、曝光方向和波长。大多数系统使用 905 纳米 (nm) 或 1550 nm 波长，每种波长的激光器和合适的光电二极管之间都具有可接受的效率和波长兼容性。一般来说，1550 nm 激光在一定的安全界限内可安全地发射比 905 nm 激光更大的功率。不过，905 nm 激光器因其成本效益较高而广受欢迎。

ROHM [RLD90QZW3-00A]是波长为 905 nm 的脉冲激光二极管，针对激光雷达应用进行了优化。它可在 23 A 的正向电流 (I F ) 下支持 75 W 的输出功率，并在光束宽度（发散）、光束波长窄度和光束稳定性这三个参数上提供出色的性能。

光束发散是指由于衍射造成的光束扩散。RLD90QZW3-00A 规定垂直面 ( θ⊥ ) 的典型值为 25°，平行面 (θ/ / ) 的典型值为 12°（图 5）。其激光输出温度稳定性为每摄氏度 0.15 nm (nm/°C)。

图 5：RLD90QZW3-00A 脉冲激光二极管在垂直面（左）和平行面（右）上的典型光束发散值分别为 25° 和 12°。（图片来源：ROHM）

这种激光二极管输出波长的窄发光宽度和稳定性对提高系统性能也至关重要，因为它们允许使用窄波长光学带通滤波器。ROHM 表示，该二极管的 225 微米 (μm) 范围比现有的同类器件小 22%，因此支持更高的分辨率和更宽的传感范围，同时具有高光束锐度、窄发射率和高光密度。

这两个因素提高了光信噪比，从而能够精确地感知和评估远距离的物体。点云对比图像显示了这些严格而稳定的规格对分辨率的积极影响（图 6）。

图 6：RLD90QZW3-00A 脉冲激光二极管输出的稳定性和一致性提高了信噪比和点云分辨率。（图片来源：ROHM）

结语

激光雷达广泛用于捕捉周围环境的 3D 视角和绘制地图。激光雷达系统的核心是电子和电子光学组件，这些组件集成了可行系统所需的复杂功能。对于光源功能，栅极驱动器、栅极开关 FET 和激光二极管必须在电压、电流、速度和稳定性方面兼容，才能确保最佳性能。

审核编辑 黄宇