對於在自動駕駛和輔助駕駛等應用中為車輛提供眼睛的光學雷達系統而言，其需要短至數奈秒、甚至更窄的脈衝寬度來實現必要的距離解析度，而這類脈衝通常使用雷射二極體來產生。為了獲得足夠的距離測量範圍，峰值光功率必須要夠高。這意謂著雷射二極體的峰值電流將達到數十安培甚至數百安培。目前要產生這個數量等級的電流，通常需要使用複雜的電路及昂貴的特殊半導體元件。
脈衝寬度/能量大幅影響距離解析度及量測範圍
ToF光學雷達通常使用近紅外(NIR)雷射二極體，即側面發射外延雷射器或垂直腔面發射雷射器(VCSEL)來實現。雷射二極體在電氣上的表現與整流器類似，當正向偏置高於某個下限電流時，它會發射出光功率與正向電流成比例的雷射輻射線。因此，如果採用脈衝電流驅動，則可以獲得雷射脈衝。雷射脈衝主要有脈衝寬度和脈衝能量等兩個關鍵選項，其分別對距離解析度和距離量程範圍造成顯著的差異。傳輸中光訊號的脈寬對光學雷達系統的距離分辨率有很大的影響(圖2)，如同圖2的上圖描述從光學雷達發出的窄脈衝光訊號的情況，其中光脈衝必須傳播距離d後，才能到達目標，並被反射向後傳播至光學雷達，側脈衝發送和接收之間的時間td為td=2d/c，其中c是光在空氣中的速度，約30cm/ns。通過傳播時間td，便可以確定目標距離。圖2的下圖描述當發送更大脈寬(足夠大)的脈衝光訊號時，反射的脈衝開始重疊，此時很難區分環境中的特徵。
假設以脈寬1奈秒的脈衝電流驅動雷射二極體，此時對應脈寬30cm的光脈衝。當目標特徵接近15cm或更小脈寬時，此時接收到的脈衝訊號開始重疊，並變得難以區分。儘管各種訊號處理技術可以提高給定的脈寬的分辨率，但窄脈衝可以提供更好的固有精度，並且在實際上，人類尺度的分辨率大約要求訊號的脈寬為數奈秒或更短。
脈衝能量是確定光學雷達系統測量距離範圍的主要因素之一。對更高解析度的需求使設計朝著更窄脈衝方向發展。此時，必須增大二極體的電流，才能保持足夠的脈衝能量。典型的脈衝電流幅值在數安培到數百安培。多款雷射二極體的額定脈衝電流在數十安培的範圍內，可以在窄脈寬、大電流下運作這些雷射二極體，並獲得較高的峰值光功率。總而言之，光學雷達系統應用對雷射二極體的典型要求導致現有商用雷射二極體的峰值脈衝電流範圍從幾安培到數百安培皆有，且脈寬為1奈秒至10奈秒。
GaN挾高性能/低寄生電感雙優勢成就雷達驅動器
用於光學雷達系統的典型脈衝雷射驅動器通常使用與雷射器和電源串聯的半導體功率開關元件，其性能受寄生電感和半導體功率元件的速度所限制。在過去的十年中，極具成本效益的GaN功率FET和IC已商業化，其寄生電感明顯降低、且開關品質因數(FOM)優於等效Si MOSFET元件10倍以上。
隨著eGaN FET和IC的問世，進而能夠以簡單、小巧的電路、低成本地實現所需性能。若在給定的峰值電流能力下互相比較，eGaN FET的性能大大優於傳統Si MOSFET元件，可實現更快的開關速度，GaN技術則能夠支援短距離和遠距離光學雷達感測器的設計(圖3)。對於遠距離系統而言，GaN元件可在數奈秒內提供高達500A的大電流脈衝；GaN元件還可以為電流要求較低但仍需要窄脈衝(小於1奈秒)的短距離系統提供解決方案。GaN元件的高性能及其晶片級封裝的低寄生電感使eGaN FET成為脈衝雷射驅動器較理想的功率開關元件。
最簡單也最常見的雷射驅動器方案是共振電容放電驅動器。如圖4所示，FET Q1透過寄生電感L1和雷射器DL使電容C1共振放電。為了消除寄生電感L1帶來的影響並實現所需要的快速電流上升時間，C1需充電至相對較高的電壓(通常為25~150V)，FET Q1必須能夠承受這個電壓和傳導峰值電流並在1奈秒或更短的時間內導通。eGaN FET是目前唯一可以滿足這些要求的現有低成本半導體功率開關元件。
遠距光學雷達以大電流驅動
EPC9126和EPC9126HC是針對遠距離直接飛行時間(DToF)應用的大電流雷射二極體驅動器的演示系統，它在設計中採用宜普電源(EPC)所推薦的基本最佳布局原理來最小化寄生電感。EPC9126內建通過汽車及認證的eGaN FET EPC2212，該元件可輸出高達75A且脈寬小於2奈秒的電流脈衝到雷射器中。更大電流版本的EPC9126HC則最大可以產生150A的電流脈衝、且脈寬小於3奈秒。
兩款驅動器中都內建針對關鍵波形的感測功能，並且可以相容多種雷射器封裝形式。為了獲得最佳的性能，可以針對特定雷射器優化PCB，例如採用低電感表面貼裝脈衝雷射器OSRAM SPL S1L90A_3 A01，並與德州儀器(TI)高性能閘極驅動器LMG1020配對使用。圖5的EPC9126HC演示系統在應用中產生脈寬2.51奈秒、135A的電流脈衝時所測得的波形。
短距光學雷達優化間接飛行時間
EPC9144雷射驅動器演示系統針對間接飛行時間(IToF)應用進行優化，能夠產生總脈寬窄至1.2奈秒、電流高達28A的脈衝來驅動雷射二極體。EPC9144內建已經接地並通過汽車級認證的eGaN FET EPC2216，同時採用TI的閘極驅動器LMG1020來驅動。PCB設計中最大程度地降低了電源環路電感，同時保持雷射二極體或其他負載的安裝靈活性，板上還包括多個用於電壓測試的被動探頭，並配備用於輸入和檢測的MMCX連接。
此外，該電路板還設置一個能夠進行亞奈秒級運作的窄脈衝發生器，用戶可以透過移除電阻直接為閘極驅動器供電。電路板出廠時設定的工作邏輯電平為3.3V，同時也配置電平邏輯轉換器和差分接收器以適應1.8V邏輯電平或低壓差分訊號(LVDS)等不同應用情景。圖6為EPC9144演示系統以及其在應用中產生脈寬1.2奈秒、8.3A的電流脈衝時所測得的性能曲線。
車規級認證產品為雷達應用範圍
針對車規級光學雷達應用系統，EPC已發布多款通過AEC-Q101認證的產品，其中包括額定電壓80V且脈衝電流能力75A的EPC2202、額定電壓100V且脈衝電流能力75A的EPC2212、額定電壓80V且脈衝電流能力17A的EPC2203，以及額定電壓15V且脈衝電流能力28A的EPC2216，並有多款針對光學雷達應用的電晶體及IC正在進行汽車級認證。
GaN為雷射驅動器性能突破關鍵
GaN功率電晶體與IC的卓越性能，使雷射驅動器的性能得到突破性的發展。在幾平方毫米的面積上產生數奈秒脈寬的大電流脈衝，進而提供數百W功率的能力，成為製造低成本、高性能的光學雷達系統的關鍵因素之一。因此GaN功率元件進一步擴展光學雷達應用的領域，並且提高至關重要的精確度，其應用領域主要包括自動駕駛車輛及人臉識別、倉庫自動化、無人機和拓撲繪圖等其他ToF應用。目前雖仍處於GaN-on-Si功率元件技術的發展初期，但是與處於技術瓶頸期的Si MOSFET相比，eGaN FET的迅速發展，將進一步擴大其效能差距。
(本文作者為宜普電源執行長暨共同創辦人)
