氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 在許多電力電子應(yīng)用中持續(xù)受到關(guān)注，但 GaN 技術(shù)仍處于其生命周期的早期階段 [1]。雖然基本 FET 性能指標(biāo)還有很大的提升空間，但更有前景的途徑是開發(fā) GaN 功率 IC。
　　現(xiàn)代硅基 GaN 器件的橫向 FET 結(jié)構(gòu)有利于功率和信號(hào)器件的單片集成，集成 GaN 功率 IC 已開始商業(yè)化 [2], [3]。這種集成有望減小尺寸和成本，同時(shí)提高可靠性和性能?！　”疚耐ㄟ^引入集成 FET 和柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 來舉例說明其優(yōu)勢(shì)。該 IC 主要設(shè)計(jì)為用于間接飛行時(shí)間應(yīng)用的激光驅(qū)動(dòng)器，能夠從 40 V 總線驅(qū)動(dòng) 10 A 脈沖電流。該 IC 的輸出上升和下降時(shí)間在 600 ps 以下，切換 10 A 電流時(shí)，其輸出 RDS(on) 約為 50 mΩ，切換頻率可超過 100 MHz。該 IC 屬于可適應(yīng)不同電源和邏輯系列輸入的組件系列。該系列的所有現(xiàn)有成員都采用相同的 2×3 BGA 芯片級(jí)封裝（見圖 1），占位面積為 1 mm × 1.5 mm。該封裝具有出色的熱性能和極低的電感。

　　25°C 時(shí) EPC21601 激光驅(qū)動(dòng)器的主要規(guī)格。
　　圖 1：EPC21601 全集成 GaN 電源開關(guān)的 IC 照片（a）和框圖（b）。
　　激光驅(qū)動(dòng)器要求
　　激光雷達(dá)的激光驅(qū)動(dòng)器屬于脈沖功率應(yīng)用。圖 2 顯示了簡(jiǎn)化的激光驅(qū)動(dòng)器。最初，開關(guān) Q1 處于關(guān)閉狀態(tài)，C1 充電至輸入電壓 VIN。命令信號(hào)命令使開關(guān) Q1 通過激光二極管 D1 完全或部分放電 C1。電感器 L1 表示 C1D1Q1 環(huán)路的雜散電感?，F(xiàn)代激光雷達(dá)系統(tǒng)需要高電流和窄脈沖以及短轉(zhuǎn)換。簡(jiǎn)而言之，驅(qū)動(dòng)器越快，分辨率越好；電流越大，范圍越遠(yuǎn)。根據(jù)激光雷達(dá)系統(tǒng)，脈沖寬度范圍可能為 1 ns 至 100 ns，電流范圍為 1 A 至 100 A 以上。　　激光驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化示意圖

　　圖 2：激光驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化原理圖
　　目前，兩種主要形式的激光雷達(dá)主導(dǎo)著激光雷達(dá)行業(yè)：直接飛行時(shí)間 (DTOF) 和間接飛行時(shí)間 (ITOF) [4]。典型的 DTOF 激光雷達(dá)發(fā)送單個(gè)脈沖并計(jì)算反射時(shí)間以計(jì)算到目標(biāo)的距離。ITOF 激光雷達(dá)通過比較發(fā)射和反射脈沖序列的相位來工作。ITOF 激光雷達(dá)最近顯示出巨大的增長(zhǎng)，因?yàn)樗軌蚴褂煤?jiǎn)化的接收器并因此降低成本。成像芯片是基于低成本 CMOS 相機(jī)成像技術(shù)開發(fā)出來的，該技術(shù)可讓成像芯片為每個(gè)像素提供距離信息。這反過來又允許一次捕獲整幀距離信息。這些有時(shí)被稱為“閃光激光雷達(dá)”，因?yàn)樗鼈兪褂眉す庾鳛殚W光燈來照亮場(chǎng)景。雖然最初的設(shè)計(jì)是用硅激光驅(qū)動(dòng)器完成的，但它們的射程很短，并且由于激光脈沖弱且形狀不佳，圖像質(zhì)量差，幀速率較低。GaN FET 已被證明在這些設(shè)計(jì)中是有效的，它可以以經(jīng)濟(jì)高效的方式實(shí)現(xiàn)更高的電流、更快的脈沖以及更清晰的邊緣。
　　便攜式激光雷達(dá)系統(tǒng)的典型 ITOF 規(guī)格
　　ITOF 激光雷達(dá)的大部分增長(zhǎng)都處于中等范圍，從不到 1 米到數(shù)十米。這些系統(tǒng)包括單點(diǎn)距離測(cè)量系統(tǒng)和百萬像素 TOF 相機(jī)，但由于能夠在一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)捕獲寬視野，因此趨勢(shì)偏向多點(diǎn)和成像系統(tǒng)。這種趨勢(shì)有利于能夠一次照亮整個(gè)場(chǎng)景的光源，這對(duì)于垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL) 來說是自然而然的選擇?！　蝹€(gè) VCSEL 非常小，但由于它們從芯片表面發(fā)射，因此可以在單個(gè)芯片上集成許多 VCSEL 以增加光輸出。對(duì)于小型便攜式系統(tǒng)，典型的脈沖電流要求范圍為 2-10 A。雖然單個(gè) VCSEL 在低電流下的電壓降很小，但等效串聯(lián)電阻會(huì)在較高電流下引起相當(dāng)大的電壓降。VCSEL 的串聯(lián)連接會(huì)進(jìn)一步增加電壓降。通常用于連接 VCSEL 的引線鍵合會(huì)由于增加的電感而產(chǎn)生額外的電壓降。如今，VCSEL 的電壓降范圍為 3 V 至 30 V，許多應(yīng)用需要 ≥ 10 V。在突發(fā)模式下工作時(shí)，脈沖頻率范圍可能從幾 MHz 到 100 MHz 以上。

　　ITOF操作概覽圖。
　　圖3：ITOF操作概覽圖。
　　由于 ITOF 成像儀使用相位差檢測(cè)，波形的形狀非常重要。使用矩形脈沖大大簡(jiǎn)化了相位檢測(cè)，并且具有使用開關(guān)作為調(diào)制器的額外好處。這簡(jiǎn)化了激光驅(qū)動(dòng)器并大大降低了總系統(tǒng)功率要求?？偠灾琁TOF 激光雷達(dá)系統(tǒng)的激光驅(qū)動(dòng)器應(yīng)能夠從高達(dá) 30V 的總線產(chǎn)生 2 至 10 A 的脈沖，開關(guān)頻率可能≥100 MHz，最小脈沖寬度為 2 ns 或更小。這是一個(gè)廣泛的規(guī)格范圍，通常的方法是針對(duì)每個(gè)應(yīng)用定制基于 GaN 的激光驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。對(duì)于基于硅的激光驅(qū)動(dòng)器，這種設(shè)計(jì)空間的大部分是完全無法實(shí)現(xiàn)的。
　　整合的好處
　　現(xiàn)代 eGaN 功率 FET 具有所需的電流和電壓額定值，其上升和下降時(shí)間小于 1 ns，因此可以輕松滿足上述要求。事實(shí)上，單個(gè) 0.81 mm2 eGaN FET（如汽車級(jí) EPC2203）可以滿足上述整個(gè)設(shè)計(jì)空間。然而，這種 FET 的驅(qū)動(dòng)要求與產(chǎn)生發(fā)射脈沖的數(shù)字子系統(tǒng)的輸出不直接兼容，因?yàn)檫@些輸出往往是 3.3 V 或更低的低壓邏輯，并且具有低驅(qū)動(dòng)電流能力。因此，需要一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器來將數(shù)字信號(hào)連接到 FET。這是一個(gè)問題，因?yàn)楹苌儆袞艠O驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá) 100 MHz 及以上的 eGaN FET，同時(shí)保持快速的上升和下降時(shí)間。具有所需驅(qū)動(dòng)能力的少數(shù)驅(qū)動(dòng)器消耗的功率水平不可接受。此外，柵極驅(qū)動(dòng)器和 FET 之間的物理距離會(huì)增加?xùn)艠O環(huán)路的電感，從而進(jìn)一步降低性能。最后，柵極驅(qū)動(dòng)器占用空間（比 FET 占用更多空間），增加了成本并降低了可靠性。GaN技術(shù)實(shí)現(xiàn)了柵極驅(qū)動(dòng)器與主FET的集成，從而提高了性能，減少了零件數(shù)量，并獲得了所有隨之而來的好處。
　　表現(xiàn)
　　Efficient Power Conversion 開發(fā)了一系列單片 GaN IC 激光驅(qū)動(dòng)器，如圖 1 所示。主要版本的關(guān)鍵初步規(guī)格如表 I 所示。
　　　表一：EPC21601激光驅(qū)動(dòng)器在25°C時(shí)的主要規(guī)格?！　≡?IC 系列有三種型號(hào)：(1) 2.5 V 邏輯輸入，IC 電源為 5V；(2) 5 V 邏輯輸入和 12 V 電源；(3) 低壓差分信號(hào) (LVDS) 輸入，使其能夠在嘈雜的數(shù)字環(huán)境中直接由高速數(shù)字 IC 驅(qū)動(dòng)。所有三種型號(hào)均采用相同的 2×3 BGA 芯片級(jí)封裝，尺寸為 1 mm × 1.5 mm，并且僅需一個(gè)旁路電容器。

　　圖 4 顯示了一些典型的波形，它們代替激光器驅(qū)動(dòng) 2 Ω 低電感負(fù)載。在電源電壓為 20 V 的情況下，產(chǎn)生的電流脈沖幅度為 10 A。圖 (4a) 顯示單個(gè)脈沖。漏極電壓 vdrain 下降時(shí)間 tf 測(cè)量開啟時(shí)間，tr 測(cè)量關(guān)閉時(shí)間。在最大額定電流下，tf = 602 ps 和 tr = 306 ps。激光雷達(dá)發(fā)射器通常使用突發(fā)模式，原因之一是需要防止激光器過熱。圖 (4b) 顯示了 10 個(gè)周期的 100 MHz 突發(fā)。IC 可以連續(xù)以 100 MHz 和 10A 運(yùn)行，但突發(fā)模式操作是為了防止負(fù)載功率因過熱而耗散。
　　單脈沖波形 (a) 和 100 MHz 突發(fā)波形 (b)。兩種情況均使用 2.5 V 邏輯電平輸入和 20V 電??源，負(fù)載為 2 Ω。黃色跡線為輸入 (1 V/div)，紅色跡線為漏極電壓 (5 V/div 或 2.5 A/div)
　　圖 4：?jiǎn)蚊}沖波形 (a) 和 100 MHz 突發(fā)波形 (b)。兩種情況均使用 2.5 V 邏輯電平輸入和 20V 電??源，負(fù)載為 2 Ω。黃色跡線為輸入 (1 V/div)，紅色跡線為漏極電壓 (5 V/div 或 2.5 A/div)
　　圖 5 顯示了驅(qū)動(dòng)垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL) 的一些典型波形。圖 (5a) 顯示單個(gè)脈沖，圖 (5b) 顯示 10 個(gè)周期的 100 MHz 突發(fā)。VCSEL 封裝包括一條鍵合線，它增加了相當(dāng)大的電感，導(dǎo)致漏極波形振鈴和較慢的光輸出上升時(shí)間。請(qǐng)注意，由于此電感和 10 V 轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的較高阻抗導(dǎo)致開啟時(shí)間（下降時(shí)間 tf）小于 300 ps?！　◎?qū)動(dòng)垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL) 的波形。單脈沖波形 (a) 和 100 MHz 突發(fā)波形 (b)。兩種情況均使用 2.5 V 邏輯電平輸入和 10V 電源，并帶有 VCSEL 負(fù)載。黃色跡線為輸入 (1 V/div)，紅色跡線為漏極電壓 (5 V/div)，藍(lán)色跡線為光接收器輸出 (5 mV/div)。

　　圖 5：驅(qū)動(dòng)垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL) 的波形。單脈沖波形 (a) 和 100 MHz 突發(fā)波形 (b)。兩種情況均使用 2.5 V 邏輯電平輸入和 10V 電源，并帶有 VCSEL 負(fù)載。黃色跡線為輸入 (1 V/div)，紅色跡線為漏極電壓 (5 V/div)，藍(lán)色跡線為光接收器輸出 (5 mV/div)。