氮化鎵 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)適合功率和信號器件的單片集成，并且集成 GaN 功率 IC 開始出現(xiàn)商業(yè)化 [2]、[3]。這種集成有望減小尺寸和成本，同時提高可靠性和性能。
　　本文提供了一個示例，說明引入集成 FET 和柵極驅(qū)動器 IC 帶來的好處。該 IC 主要被設(shè)計為用于間接飛行時間應(yīng)用的激光驅(qū)動器，能夠從 40 V 總線驅(qū)動 10 A 脈沖電流。當(dāng)開關(guān)電流為 10 A 時，該 IC 的輸出上升和下降時間低于 600 ps，其輸出 RDS(on) 約為 50 mΩ。并且可以以超過 100 MHz 的頻率進(jìn)行切換。該 IC 是可適應(yīng)不同電源和邏輯系列輸入的組件系列的一部分。該系列的所有當(dāng)前成員均具有相同的 2×3 BGA 芯片級封裝（見圖 1），占用面積為 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 EPC21601 激光驅(qū)動器的主要規(guī)格。

　　圖 1：EPC21601 全集成 GaN 功率開關(guān)的 IC 照片 (a) 和框圖 (b)。
　　激光驅(qū)動器要求
　　激光雷達(dá)的激光驅(qū)動器是脈沖功率應(yīng)用。圖 2 顯示了簡化的激光驅(qū)動器。最初，開關(guān) Q1 關(guān)閉，C1 充電至輸入電壓 VIN。命令信號命令導(dǎo)致開關(guān)Q1通過激光二極管D1對C1完全或部分放電。電感器 L1 代表 C1D1Q1 環(huán)路的雜散電感。現(xiàn)代激光雷達(dá)系統(tǒng)需要高電流和短脈沖的窄脈沖。簡單來說，驅(qū)動器速度越快，分辨率就越好；電流越大，范圍越遠(yuǎn)。根據(jù)激光雷達(dá)系統(tǒng)的不同，脈沖寬度范圍可以從 1 ns 到 100 ns，以及從 1 A 到超過 100 A?！　〖す怛?qū)動器的簡化原理圖

　　圖 2：激光驅(qū)動器的簡化原理圖
　　激光雷達(dá)的兩種主要形式在當(dāng)今的激光雷達(dá)行業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位：直接飛行時間（DTOF）和間接飛行時間（ITOF）[4]。典型的 DTOF 激光雷達(dá)發(fā)送單獨的脈沖并對反射進(jìn)行計時，以計算到目標(biāo)的距離。 ITOF 激光雷達(dá)的工作原理是比較發(fā)射和反射脈沖串的相位。由于能夠使用簡化的接收器并因此實現(xiàn)更低的成本，ITOF 激光雷達(dá)最近顯示出巨大的增長。成像芯片是基于低成本 CMOS 相機(jī)成像技術(shù)而開發(fā)的，該技術(shù)使成像芯片能夠提供每個像素的距離信息。這又允許一次捕獲整個距離信息幀。這些有時被稱為“閃光激光雷達(dá)”，因為它們使用激光作為閃光燈來照亮場景。盡管最初的設(shè)計是使用硅激光驅(qū)動器完成的，但這些驅(qū)動器的射程較短，并且由于激光脈沖較弱且形狀不佳，圖像質(zhì)量較差，幀速率較低。事實證明，GaN FET 在這些設(shè)計中非常有效，能夠以經(jīng)濟(jì)高效的方式實現(xiàn)更高的電流和更快的脈沖以及更銳利的邊緣。
　　ITOF 激光雷達(dá)的大部分增長都處于中等范圍，從不到 1 米到數(shù)十米。這些系統(tǒng)的范圍從單點距離測量系統(tǒng)到百萬像素 TOF 相機(jī)，但由于能夠在一個檢測周期中捕獲寬視場，因此趨勢傾向于多點和成像系統(tǒng)。這一趨勢青睞能夠同時照亮整個場景的光源，這非常適合垂直腔表面發(fā)射激光器 (VCSEL)。
　　單個 VCSEL 非常小，但由于它們從芯片表面發(fā)射，因此可以將許多 VCSEL 集成在單個芯片上以增加光輸出。對于小型便攜式系統(tǒng)，典型的脈沖電流要求范圍為 2-10 A。雖然單個 VCSEL 在低電流下的壓降很小，但等效串聯(lián)電阻會在較高電流下導(dǎo)致顯著的壓降。 VCSEL 的串聯(lián)可以進(jìn)一步增加壓降。通常用于連接 VCSEL 的焊線會因增加的電感而產(chǎn)生額外的壓降。如今，VCSEL 的壓降范圍為 3 V 至 30 V，許多應(yīng)用需要 ≥ 10 V。在突發(fā)模式下工作時，脈沖頻率范圍可能從幾 MHz 到超過 100 MHz?！　TOF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，因此波形的形狀很重要。矩形脈沖的使用極大地簡化了相位檢測，并且具有使用開關(guān)作為調(diào)制器的額外好處。這簡化了激光驅(qū)動器并大大降低了系統(tǒng)總功率要求。總而言之，ITOF 激光雷達(dá)系統(tǒng)的激光驅(qū)動器應(yīng)能夠從高達(dá) 30V 的總線生成 2 至 10 A 脈沖，開關(guān)頻率可能≥ 100 MHz，最小脈沖寬度為 2 ns 或更小。這是一個廣泛的規(guī)格，通常的方法是為每個應(yīng)用定制基于 GaN 的激光驅(qū)動器設(shè)計。對于硅基激光驅(qū)動器來說，大部分設(shè)計空間是完全無法實現(xiàn)的。
　　整合的好處
　　具有所需電流和電壓額定值的現(xiàn)代 eGaN 功率 FET 的上升和下降時間小于 1 ns，因此可以輕松滿足上述要求。事實上，單個 0.81 mm2 eGaN FET（例如符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的 EPC2203）就可以滿足上述整個設(shè)計空間的要求。然而，此類 FET 的驅(qū)動要求與生成發(fā)送脈沖的數(shù)字子系統(tǒng)的輸出并不直接兼容，因為這些輸出往往是 3.3 V 或更低的低壓邏輯，并且具有低驅(qū)動電流能力。因此，需要柵極驅(qū)動器將數(shù)字信號連接至 FET。這是一個問題，因為很少有柵極驅(qū)動器能夠驅(qū)動 eGaN FET 高達(dá) 100 MHz 及以上，同時保持快速的上升和下降時間。少數(shù)具有所需驅(qū)動能力的設(shè)備消耗的功率水平令人無法接受。此外，柵極驅(qū)動器和 FET 之間的物理距離會增加?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)動器占用空間（比 FET 更多的空間）、增加成本并降低可靠性。 GaN 技術(shù)實現(xiàn)了柵極驅(qū)動器與主 FET 的集成，從而提高了性能、減少了部件數(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)動器，如圖 1 所示。主要版本的主要初步規(guī)格如表 I 所示。
　
　　表 I：25°C 時 EPC21601 激光驅(qū)動器的主要規(guī)格。　　該 IC 系列共有三個成員：(1) 2.5 V 邏輯輸入和 IC 的 5V 電源，(2) 5 V 邏輯輸入和 12 V 電源，以及 (3) 低壓差分信號 (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。所有三種變體均采用相同的 2×3 BGA 芯片級封裝，占用面積為 1 mm × 1.5 mm，并且僅需要一個旁路電容器。

　　圖 4 顯示了驅(qū)動 2 Ω 低電感負(fù)載代替激光器的一些典型波形。電源電壓為 20 V 時，產(chǎn)生的電流脈沖的幅度為 10 A。圖 (4a) 顯示單個脈沖。漏極電壓vdrain 下降時間tf 測量導(dǎo)通時間，tr 測量關(guān)斷時間。在最大額定電流下，tf = 602 ps，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過熱。圖 (4b) 顯示了 10 個周期的 100 MHz 突發(fā)。該 IC 可以連續(xù)工作在 100 MHz 和 10A 下，但突發(fā)模式工作是為了防止負(fù)載功率因過度加熱而耗散。
　　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??源以及 2 Ω 負(fù)載。黃色跡線是輸入 (1 V/div)，紅色跡線是漏極電壓（5 V/div 或 2.5 A/div）　　圖 4：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??源以及 2 Ω 負(fù)載。黃色跡線是輸入 (1 V/div)，紅色跡線是漏極電壓（5 V/div 或 2.5 A/div）

　　圖 5 顯示了驅(qū)動垂直腔表面發(fā)射激光器 (VCSEL) 的一些典型波形。圖 (5a) 顯示單個脈沖，圖 (5b) 顯示 10 個周期的 100 MHz 突發(fā)。 VCSEL 封裝包含一條鍵合線，該鍵合線會增加相當(dāng)大的電感，從而導(dǎo)致漏極波形振鈴和較慢的光輸出上升時間。請注意，由于該電感和 10 V 轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的較高阻抗會導(dǎo)致開啟時間（下降時間 tf）小于 300 ps?！　◎?qū)動垂直腔表面發(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 電源以及 VCSEL 負(fù)載。黃色跡線是輸入 (1 V/div)，紅色跡線是漏極電壓 (5 V/div)，藍(lán)色跡線是光接收器輸出 (5 mV/div)。

　　圖 5：驅(qū)動垂直腔表面發(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 電源以及 VCSEL 負(fù)載。黃色跡線是輸入 (1 V/div)，紅色跡線是漏極電壓 (5 V/div)，藍(lán)色跡線是光接收器輸出 (5 mV/div)。