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汽車制造

用氮化鎵消除激光雷達的障礙

星之球科技 來源:Davide Di Gesualdo2021-01-11 我要評論(0 )   

自動駕駛汽車正在成為現(xiàn)實,這種應用通過使用許多高性能的智能傳感器來實現(xiàn)。數(shù)字和微控制器(MCU)領域的技術進步,使我們可以為高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)創(chuàng)建各種傳感...

自動駕駛汽車正在成為現(xiàn)實,這種應用通過使用許多高性能的智能傳感器來實現(xiàn)。數(shù)字和微控制器(MCU)領域的技術進步,使我們可以為高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)創(chuàng)建各種傳感器,例如實現(xiàn)車道保持、自適應巡航控制,以及在超車期間檢測盲點的結(jié)構(gòu)。ADAS既是一種對駕駛員有用的工具,又是一種用來滿足更高安全標準要求的解決方案。激光雷達(LiDAR)是ADAS最重要的元素之一,它可以用來實現(xiàn)行人檢測系統(tǒng)、盲點檢測和自適應巡航控制。通常,它對于需要檢測和勘測車輛周圍所有元素的所有應用都適用。不難理解,激光雷達的設計對獲得安全的自動駕駛汽車來說至關重要。

什么是激光雷達,它又是如何工作?

激光雷達的全稱是光檢測和測距,即通過光波段中的電磁輻射所進行的(遠程)檢測和測量。這種裝置采用了經(jīng)典、簡單的雷達原理,不同的是它使用的是由激光脈沖所組成的光束。用于計算射線源與任何物體之間的距離的技術又稱為TOF(飛行時間),如圖1所示。與雷達相比,光學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。(圖片來源:www.hamamatsu.com

我們了解激光雷達的原理已有數(shù)十年的歷史,其應用涉及醫(yī)療、軍事以及汽車等許多領域。但是,使用激光束會帶來一些重要的技術問題: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,通過掃描來仔細重建環(huán)境的形態(tài);另一方面,它需要具有較高的機械精度和納秒級的脈沖速度;此外,雷達的電磁波具有高反射系數(shù),而對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(甚至達數(shù)十安培的數(shù)量級)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,就不可避免地會帶來以下技術挑戰(zhàn):

● 電源器件的散熱管理及散熱器的設計

● 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

激光雷達內(nèi)部:激光驅(qū)動器

激光雷達的激光器是由專門設計的電路所驅(qū)動的,它能夠在短時間內(nèi)提供大量電流。普通的驅(qū)動器是由一個與激光器串聯(lián)的、充當電流開關的元件所構(gòu)成。實現(xiàn)這種驅(qū)動器最常用的電路拓撲之一是電容器放電諧振電路,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和LED。一旦控制器關閉,C1電容器就立即充電至VIN電壓。當Q1導通時,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DL上的電壓小于VDLF時,C1再次開始充電。

這種簡單電路的優(yōu)點有很多:

● 如果寄生電感已知,就可以對其利用;

● 傳輸?shù)郊す獾哪芰颗cVIN直接相關;

● 只有一個單端開關元件,因此很容易控制;

● 傳輸?shù)郊す馄鞯拿}沖,其持續(xù)時間小于開關器件的控制導通時間。

面對現(xiàn)實時,電路的技術方面存在沖突。在實際的激光雷達系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的硅元件(例如MOSFET)無法為其激光驅(qū)動器實現(xiàn)提供必要的性能。為了增強控制,MOSFET的溝道必須很大,這會導致寄生電容的充電時間過長,從而導致開關頻率太低而不滿足應用所需。此外,散熱管理要達到良好的效果,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)驗豐富的、擅長電源和高頻領域工作的工程師和設計人員來進行。

創(chuàng)新的寬禁帶技術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域?qū)す饫走_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具有更低的傳導損耗、更高的開關速度、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)動器電路開關器件的需求。

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備中的運用還只是開始。事實證明,這類幾年前還被認為是不可能或過于復雜的技術解決方案,現(xiàn)在在許多領域都取得了成功,例如激光雷達系統(tǒng)中的電源驅(qū)動器。因此可以肯定的是,在未來幾年,寬禁帶器件將會成為電力電子領域的主流,這樣就可以解決“舊”半導體器件的技術局限性。


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