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來(lái)源：Digikey 作者：Bill Schweber 激光雷達 (LiDAR) 系統已成為汽車(chē)、自動(dòng)導引車(chē) (AGV) 甚至掃地機器人“觀(guān)察”周?chē)h(huán)境的首選方法。無(wú)人機和飛行高度更高的飛機也會(huì )使用激光雷達導航并用它來(lái)繪制距離更遠的地形圖。 盡管對激光雷達進(jìn)行了深入研究，但設計人員在選擇柵極驅動(dòng)器、柵極開(kāi)關(guān) FET 和激光二極管等產(chǎn)生光脈沖所需的關(guān)鍵元件時(shí)必須非常謹慎。 本文先對激光雷達提供一個(gè)概覽，然后介紹了關(guān)鍵電子光學(xué)元件的實(shí)例，并展示這些元件如何協(xié)同工作以產(chǎn)生必要的脈沖。 激光雷達工作原理 激光雷達的工作原理是連續發(fā)出中等功率的短光束脈沖，然后捕捉其反射。它通過(guò)測量飛行時(shí)間 (ToF) 來(lái)建立周?chē)h(huán)境的點(diǎn)云，從而呈現一個(gè)三維 (3D) 視角（圖 1）。許多系統使用多個(gè)激光二極管組成矩陣，以擴大覆蓋范圍。 
圖 1：激光雷達可建立點(diǎn)云對周?chē)h(huán)境進(jìn)行 3D 渲染。（圖片來(lái)源：Blickfeld GmbH） 應用決定了激光雷達系統的性能。與用于汽車(chē)的系統相比，用于移動(dòng)緩慢、受區域限制的掃地機器人或 AGV 的系統對范圍和角度分辨率的要求要寬松得多，因為汽車(chē)必須以更快的速度行駛，并對車(chē)輛、騎行者或行人做出反應。汽車(chē)應用的最高性能目標通常是 100 米至 200 米的有效范圍，角度分辨率 0.1°。 雙軸機電振鏡掃描整個(gè)圖像區域的激光閃光，以獲得精確的點(diǎn)云。由于激光雷達系統可以測量每個(gè)發(fā)射脈沖及其相關(guān)回波的 ToF，因此可以建立具有深度透視的 3D 圖像，以便車(chē)輛在周?chē)h(huán)境進(jìn)行精確導航。 激光雷達核心的電子光學(xué)路徑 一個(gè)完整的激光雷達系統（如 AGV 中使用的系統）需要各種相互連接的光學(xué)、模擬、處理器和機械模塊。該系統的核心是電子光學(xué)路徑，它由一個(gè)激光光源和一個(gè)同地協(xié)作的光學(xué)接收器組成（圖 2）。
圖 2：電光信號路徑和相關(guān)組件是激光雷達系統的核心（右側中排）。（圖片來(lái)源：ROHM） 產(chǎn)生光脈沖流的光源信號路徑由專(zhuān)用單片機 (MCU) 控制，并決定所需的光脈沖重復率和寬度。光源路徑有三個(gè)關(guān)鍵功能要素： · 柵極驅動(dòng)器提供具有快速上升和下降時(shí)間的高速脈沖，以打開(kāi)和關(guān)閉柵極開(kāi)關(guān)。 · 柵極開(kāi)關(guān) FET 的開(kāi)關(guān)非常靈敏，可控制激光二極管的電流。 · 激光二極管以所需波長(cháng)產(chǎn)生獨立、不重疊的光脈沖。 選擇和集成這些組件需要了解電氣問(wèn)題以及光學(xué)特性，如視場(chǎng)、激光二極管功率和波長(cháng)角靈敏度以及光信噪比 (SNR)。先進(jìn)的軟件算法可以克服電子光學(xué)信號路徑中的一些限制和所感應環(huán)境的挑戰。不過(guò)慎重起見(jiàn)，工程設計應該選擇針對激光雷達優(yōu)化過(guò)的組件，而不是假定這些算法可以彌補缺陷。 通過(guò)研究上述每種功能的代表性組件，可以了解經(jīng)過(guò)激光雷達優(yōu)化的器件是如何應對諸多挑戰的： 柵極驅動(dòng)器 ROHM Semiconductor BD2311NVX-LBE2（圖 3）是一款單通道、超高速 GaN 柵極驅動(dòng)器，非常適合 AGV 等工業(yè)應用。它提供了必要的驅動(dòng)電流與電壓的組合。它采用 6 引腳封裝，尺寸僅為 2.0 mm × 2.0 mm × 0.6 mm，輸出電流高達 5.4 A，供電電壓范圍為 4.5 V 至 5.5 V。
圖 3：BD2311NVX-LBE2 單通道柵極驅動(dòng)器提供了必要的驅動(dòng)電流與電壓的組合，可精確控制激光雷達柵極開(kāi)關(guān)。（圖片來(lái)源：ROHM） BD2311NVX-LBE2 可以驅動(dòng)氮化鎵高電子遷移率晶體管 (HEMT) 和其他開(kāi)關(guān)器件，輸出脈沖很窄，因此有助于滿(mǎn)足激光雷達的遠距離和高精度需要。這些脈沖相關(guān)參數包括：1.25 納秒 (ns) 的最小輸入脈寬、0.65 ns 的典型上升時(shí)間和 0.70 ns 的典型下降時(shí)間，所有這些參數均為使用 220 皮法 (pF) 負載時(shí)測得。導通和斷開(kāi)延遲時(shí)間分別為 3.4 ns 和 3.0 ns。 柵極開(kāi)關(guān) FET 柵極驅動(dòng)器的輸出端連接到電流控制開(kāi)關(guān)裝置的控制輸入端。該器件必須根據柵極驅動(dòng)器的指示，在導通和斷開(kāi)狀態(tài)之間快速切換，并能處理相對較大的電流值，通常為 50 A 至 100 A。 EPC 的 EPC2252 是一款汽車(chē)級 (AEC-Q101) N 溝道增強型氮化鎵功率晶體管，可滿(mǎn)足所需的性能水平。它具有極高的電子遷移率和低溫度系數，導通電阻 (RDS(ON)) 極低，其橫向器件結構和多數載流子二極管可提供極低的總柵極電荷 (QG) 和零源漏恢復電荷 (QRR)。因此，該器件可以處理開(kāi)關(guān)頻率較高和低導通時(shí)間較為有利的任務(wù)，以及主要損耗為導通損耗的場(chǎng)合。 EPC2252 的漏源電壓 (VDS) 為 80 V，RDS(ON) 最大值為 11 毫歐 (mΩ)，連續漏極電流 (ID) 為 8.2 A，這些數據應能說(shuō)明部分問(wèn)題。它易于使用，只需要 5 V 的導通柵極驅動(dòng)電壓，關(guān)斷狀態(tài)為 0 V，而且不需要負電壓。這簡(jiǎn)化了對驅動(dòng)器和電源軌的考慮。 由于其設計和芯片排列，柵極開(kāi)關(guān)可以處理 75 A 的 ID（TPULSE 為 10 微秒 (µs)），并封裝為一個(gè) 1.5 mm × 1.5 mm 的鈍化芯片，帶有九個(gè)接觸焊接凸點(diǎn)（圖 4）。這減少了封裝和芯片寄生，如只有 440 pF（典型值）的輸入電容 (CISS)，因此支持需進(jìn)行快速轉換的高速脈沖性能。
圖 4：EPC2252 氮化鎵功率晶體管為大電流激光二極管提供所需的電流切換能力，封裝尺寸為 1.5 × 1.5 mm。（圖片來(lái)源：EPC） 激光二極管 這是光路徑中的最后一個(gè)元件，起著(zhù)電子光學(xué)變送器的作用。與作為被動(dòng)設備的攝像頭不同，激光二極管是主動(dòng)光源，會(huì )發(fā)出光輻射，在某些情況下會(huì )對人眼造成傷害。最大允許強度由 EN 60825-1:2014 之類(lèi)“激光產(chǎn)品安全”標準規定。 激光雷達系統的安全等級取決于其功率、發(fā)散角、脈沖持續時(shí)間、曝光方向和波長(cháng)。大多數系統使用 905 納米 (nm) 或 1550 nm 波長(cháng)，每種波長(cháng)的激光器和合適的光電二極管之間都具有可接受的效率和波長(cháng)兼容性。一般來(lái)說(shuō)，1550 nm 激光在一定的安全界限內可安全地發(fā)射比 905 nm 激光更大的功率。不過(guò)，905 nm 激光器因其成本效益較高而廣受歡迎。 ROHM RLD90QZW3-00A 是波長(cháng)為 905 nm 的脈沖激光二極管，針對激光雷達應用進(jìn)行了優(yōu)化。它可在 23 A 的正向電流 (IF) 下支持 75 W 的輸出功率，并在光束寬度（發(fā)散）、光束波長(cháng)窄度和光束穩定性這三個(gè)參數上提供出色的性能。 光束發(fā)散是指由于衍射造成的光束擴散。RLD90QZW3-00A 規定垂直面 (θ⊥) 的典型值為 25°，平行面 (θ//) 的典型值為 12°（圖 5）。其激光輸出溫度穩定性為每攝氏度 0.15 nm (nm/°C)。
圖 5：RLD90QZW3-00A 脈沖激光二極管在垂直面（左）和平行面（右）上的典型光束發(fā)散值分別為 25° 和 12°。（圖片來(lái)源：ROHM） 這種激光二極管輸出波長(cháng)的窄發(fā)光寬度和穩定性對提高系統性能也至關(guān)重要，因為它們允許使用窄波長(cháng)光學(xué)帶通濾波器。ROHM 表示，該二極管的 225 微米 (μm) 范圍比現有的同類(lèi)器件小 22%，因此支持更高的分辨率和更寬的傳感范圍，同時(shí)具有高光束銳度、窄發(fā)射率和高光密度。 這兩個(gè)因素提高了光信噪比，從而能夠精確地感知和評估遠距離的物體。點(diǎn)云對比圖像顯示了這些嚴格而穩定的規格對分辨率的積極影響（圖 6）。
圖 6：RLD90QZW3-00A 脈沖激光二極管輸出的穩定性和一致性提高了信噪比和點(diǎn)云分辨率。（圖片來(lái)源：ROHM） 結語(yǔ) 激光雷達廣泛用于捕捉周?chē)h(huán)境的 3D 視角和繪制地圖。激光雷達系統的核心是電子和電子光學(xué)組件，這些組件集成了可行系統所需的復雜功能。對于光源功能，柵極驅動(dòng)器、柵極開(kāi)關(guān) FET 和激光二極管必須在電壓、電流、速度和穩定性方面兼容，才能確保最佳性能。 |
