自動(dòng)駕駛汽車正在成為現(xiàn)實(shí),這種應(yīng)用通過使用許多高性能的智能傳感器來實(shí)現(xiàn)。數(shù)字和微控制器(MCU)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步,使我們可以為高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)創(chuàng)建各種傳感器,例如實(shí)現(xiàn)車道保持、自適應(yīng)巡航控制,以及在超車期間檢測(cè)盲點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。ADAS既是一種對(duì)駕駛員有用的工具,又是一種用來滿足更高安全標(biāo)準(zhǔn)要求的解決方案。激光雷達(dá)(LiDAR)是ADAS最重要的元素之一,它可以用來實(shí)現(xiàn)行人檢測(cè)系統(tǒng)、盲點(diǎn)檢測(cè)和自適應(yīng)巡航控制。通常,它對(duì)于需要檢測(cè)和勘測(cè)車輛周圍所有元素的所有應(yīng)用都適用。不難理解,激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)對(duì)獲得安全的自動(dòng)駕駛汽車來說至關(guān)重要。
什么是激光雷達(dá),它又是如何工作?
激光雷達(dá)的全稱是光檢測(cè)和測(cè)距,即通過光波段中的電磁輻射所進(jìn)行的(遠(yuǎn)程)檢測(cè)和測(cè)量。這種裝置采用了經(jīng)典、簡單的雷達(dá)原理,不同的是它使用的是由激光脈沖所組成的光束。用于計(jì)算射線源與任何物體之間的距離的技術(shù)又稱為TOF(飛行時(shí)間),如圖1所示。與雷達(dá)相比,光學(xué)裝置即使在長距離下也具有更高的分辨率,因此,它可以獲得更詳細(xì)的三維圖像,再經(jīng)過中央單元處理就可以避免碰撞。
圖1:TOF技術(shù)。(圖片來源:www.hamamatsu.com)
我們了解激光雷達(dá)的原理已有數(shù)十年的歷史,其應(yīng)用涉及醫(yī)療、軍事以及汽車等許多領(lǐng)域。但是,使用激光束會(huì)帶來一些重要的技術(shù)問題:一方面,如果激光被證明是一種高分辨率光源,那么就可以充分利用這一特性,通過掃描來仔細(xì)重建環(huán)境的形態(tài);另一方面,它需要具有較高的機(jī)械精度和納秒級(jí)的脈沖速度;此外,雷達(dá)的電磁波具有高反射系數(shù),而對(duì)于激光而言卻不是如此,因此就需要為系統(tǒng)提供更多的能量。由于激光束是依靠大電流(甚至達(dá)數(shù)十安培的數(shù)量級(jí))流過LED所產(chǎn)生的,因此,為了防止過熱,其占空比就必須非常低。要實(shí)現(xiàn)高脈沖速度和高能量,系統(tǒng)中的電子裝置就需要給以非常大的功率,因此,要增加系統(tǒng)功率,就不可避免地會(huì)帶來以下技術(shù)挑戰(zhàn):
● 電源器件的散熱管理及散熱器的設(shè)計(jì)
● 電路能效
● 根據(jù)極限溫度找到合適的模塊
● 優(yōu)化電路板布局而最大程度降低寄生元件
激光雷達(dá)內(nèi)部:激光驅(qū)動(dòng)器
激光雷達(dá)的激光器是由專門設(shè)計(jì)的電路所驅(qū)動(dòng)的,它能夠在短時(shí)間內(nèi)提供大量電流。普通的驅(qū)動(dòng)器是由一個(gè)與激光器串聯(lián)的、充當(dāng)電流開關(guān)的元件所構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)這種驅(qū)動(dòng)器最常用的電路拓?fù)渲皇请娙萜鞣烹娭C振電路,如圖2所示。
圖2:電容器放電諧振電路。(圖片來源:epc-co.com)
Q1和DL分別是待激活的激光器的開關(guān)和LED。一旦控制器關(guān)閉,C1電容器就立即充電至VIN電壓。當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí),C1通過DL和L1電感放電,從而就形成了諧振電路。因此,流過激光器的電流就是正弦脈沖iDL,直到LED兩端的電壓高于其正向電壓VDLF為止。當(dāng)DL上的電壓小于VDLF時(shí),C1再次開始充電。
這種簡單電路的優(yōu)點(diǎn)有很多:
● 如果寄生電感已知,就可以對(duì)其利用;
● 傳輸?shù)郊す獾哪芰颗cVIN直接相關(guān);
● 只有一個(gè)單端開關(guān)元件,因此很容易控制;
● 傳輸?shù)郊す馄鞯拿}沖,其持續(xù)時(shí)間小于開關(guān)器件的控制導(dǎo)通時(shí)間。
面對(duì)現(xiàn)實(shí)時(shí),電路的技術(shù)方面存在沖突。在實(shí)際的激光雷達(dá)系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的硅元件(例如MOSFET)無法為其激光驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)提供必要的性能。為了增強(qiáng)控制,MOSFET的溝道必須很大,這會(huì)導(dǎo)致寄生電容的充電時(shí)間過長,從而導(dǎo)致開關(guān)頻率太低而不滿足應(yīng)用所需。此外,散熱管理要達(dá)到良好的效果,就需要使用大體積、大重量的散熱器。
氮化鎵器件可滿足所需參數(shù)
上述問題很難通過使用硅器件來解決,并且需要由經(jīng)驗(yàn)豐富的、擅長電源和高頻領(lǐng)域工作的工程師和設(shè)計(jì)人員來進(jìn)行。
創(chuàng)新的寬禁帶技術(shù)器件則具有理想的特性,目前的電子工程師可以利用這類器件來滿足汽車領(lǐng)域?qū)す饫走_(dá)系統(tǒng)的需求。
氮化鎵(GaN)器件的電子遷移率是硅器件的數(shù)百倍,其能隙為3.4eV。與同類的硅產(chǎn)品相比,GaN MOSFET具有更低的傳導(dǎo)損耗、更高的開關(guān)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(qū)動(dòng)器電路開關(guān)器件的需求。
圖3:GaN器件的基本結(jié)構(gòu)。(圖片來源:www.st.com)
總結(jié)
氮化鎵器件在商用設(shè)備中的運(yùn)用還只是開始。事實(shí)證明,這類幾年前還被認(rèn)為是不可能或過于復(fù)雜的技術(shù)解決方案,現(xiàn)在在許多領(lǐng)域都取得了成功,例如激光雷達(dá)系統(tǒng)中的電源驅(qū)動(dòng)器。因此可以肯定的是,在未來幾年,寬禁帶器件將會(huì)成為電力電子領(lǐng)域的主流,這樣就可以解決“舊”半導(dǎo)體器件的技術(shù)局限性。
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