集成栅极驱动器的 GaN ePower 超快开关
时间：2024-06-17 17:07:11
氮化镓场效应晶体管 (FET) 在许多电力电子使用中继续遭到存眷，但 GaN 手艺仍处于其性命周期的晚期阶段 [1]。尽管基础 FET 功能目标另有很大的晋升空间，但更有远景的路子是开辟 GaN 功率 IC。
当代硅基 GaN 器件的横向 FET 布局有利于功率和旌旗灯号器件的单片集成，集成 GaN 功率 IC 已开端商业化 [2], [3]。这类集成有望减小尺寸和本钱，同时进步可靠性和功能。
图 1：EPC21601 全集成 GaN 电源开关的 IC 照片（a）和框图（b）。
激光驱动器请求
激光雷达的激光驱动器属于脉冲功率使用。图 2 表现了简化的激光驱动器。最后，开关 Q1 处于封闭状况，C1 充电至输出电压 VIN。敕令旌旗灯号敕令使开关 Q1 经由过程激光二极管 D1 完整或部份放电 C1。电感器 L1 暗示 C1D1Q1 环路的杂散电感。当代激光雷达体系需要高电流和窄脉冲以及短转换。简而言之，驱动器越快，分辨率越好；电流越大，局限越远。依据激光雷达体系，脉冲宽度局限可能为 1 ns 至 100 ns，电流局限为 1 A 至 100 A 以上。
今朝，两种首要方式的激光雷达主导着激光雷达行业：间接遨游飞翔时候 (DTOF) 和直接遨游飞翔时候 (ITOF) [4]。典范的 DTOF 激光雷达发送单个脉冲并计较反射时候以计算到目的的间隔。ITOF 激光雷达经由过程比拟发射和反射脉冲序列的相位来事情。ITOF 激光雷达比来显示出伟大的增进，由于它可以或许应用简化的接收器并是以下降本钱。成像芯片是基于低成本 CMOS 相机成像手艺开辟进去的，该手艺可以让成像芯片为每一个像素供应间隔信息。这反过来又同意一次捕捉整帧间隔信息。这些偶然被称为“闪光激光雷达”，由于它们应用激光作为闪光灯来照亮场景。尽管最后的设想是用硅激光驱动器实现的，但它们的射程很短，而且因为激光脉冲弱且外形欠安，图象质量差，帧速度较低。GaN FET 已被证实在这些设想中是无效的，它能够以经济高效的体式格局完成更高的电流、更快的脉冲以及更清楚的边缘。
便携式激光雷达体系的典范 ITOF 规格
ITOF 激光雷达的大部分增进都处于中等局限，从不到 1 米到数十米。这些体系包孕单点间隔丈量体系和百万像素 TOF 相机，但由于可以或许在一个检测周期内捕捉宽视线，是以趋向倾向多点和成像体系。这类趋向有利于可以或许一次照亮全部场景的光源，这关于垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 来说是自然而然的抉择。
图3：ITOF操纵概览图。
因为 ITOF 成像仪应用相位差检测，波形的外形异常首要。应用矩形脉冲大大简化了相位检测，而且拥有应用开关作为调制器的额定优点。这简化了激光驱动器并大大降低了总体系功率请求。总而言之，ITOF 激光雷达体系的激光驱动器应可以或许从高达 30V 的总线发生 2 至 10 A 的脉冲，开关频次大概≥100 MHz，最小脉冲宽度为 2 ns 或更小。这是一个普遍的规格局限，平日的要领是针对每一个使用定制基于 GaN 的激光驱动器设想。关于基于硅的激光驱动器，这类设想空间的大部分是完整无奈完成的。
整合的优点
当代 eGaN 功率 FET 拥有所需的电流和电压额定值，其回升和降低时候小于 1 ns，是以能够轻松餍足上述请求。事实上，单个 0.81 mm2 eGaN FET（如汽车级 EPC2203）能够餍足上述全部设想空间。然而，这类 FET 的驱动请求与发生发射脉冲的数字子系统的输入不间接兼容，由于这些输入往往是 3.3 V 或更低的高压逻辑，而且拥有低驱动电流才能。是以，需求一个栅极驱动器来将数字旌旗灯号连接到 FET。这是一个题目，由于很少有栅极驱动器可以或许驱动高达 100 MHz 及以上的 eGaN FET，同时坚持倏地的回升和降低时候。拥有所需驱动才能的少数驱动器损耗的功率程度弗成接收。另外，栅极驱动器和 FET 之间的物理间隔会增添栅极环路的电感，从而进一步下降功能。最初，栅极驱动器占用空间（比 FET 占用更多空间），增加了本钱并降低了可靠性。GaN手艺完成了栅极驱动器与主FET的集成，从而提高了功能，减少了整机数目，并获得了所有随之而来的优点。
体现
Efficient Power Conversion 开发了一系列单片 GaN IC 激光驱动器，如图 1 所示。首要版本的关头开端规格如表 I 所示。
表一：EPC21601激光驱动器在25°C时的首要规格。
当代硅基 GaN 器件的横向 FET 布局有利于功率和旌旗灯号器件的单片集成，集成 GaN 功率 IC 已开端商业化 [2], [3]。这类集成有望减小尺寸和本钱，同时进步可靠性和功能。
本文经由过程引入集成 FET 和栅极驱动器 IC 来举例解释其上风。该 IC 首要设想为用于直接遨游飞翔时候使用的激光驱动器，可以或许从 40 V 总线驱动 10 A 脉冲电流。该 IC 的输入回升和降低时候在 600 ps 如下，切换 10 A 电流时，其输入 RDS(on) 约为 50 mΩ，切换频次可跨越 100 MHz。该 IC 属于可顺应分歧电源和逻辑系列输出的组件系列。该系列的所有现有成员都接纳沟通的 2×3 BGA 芯片级封装（见图 1），占位面积为 1 妹妹 × 1.5 妹妹。该封装拥有卓越的热功能和极低的电感。
图 1：EPC21601 全集成 GaN 电源开关的 IC 照片（a）和框图（b）。
激光驱动器请求
激光雷达的激光驱动器属于脉冲功率使用。图 2 表现了简化的激光驱动器。最后，开关 Q1 处于封闭状况，C1 充电至输出电压 VIN。敕令旌旗灯号敕令使开关 Q1 经由过程激光二极管 D1 完整或部份放电 C1。电感器 L1 暗示 C1D1Q1 环路的杂散电感。当代激光雷达体系需要高电流和窄脉冲以及短转换。简而言之，驱动器越快，分辨率越好；电流越大，局限越远。依据激光雷达体系，脉冲宽度局限可能为 1 ns 至 100 ns，电流局限为 1 A 至 100 A 以上。
激光驱动器的简化示意图
今朝，两种首要方式的激光雷达主导着激光雷达行业：间接遨游飞翔时候 (DTOF) 和直接遨游飞翔时候 (ITOF) [4]。典范的 DTOF 激光雷达发送单个脉冲并计较反射时候以计算到目的的间隔。ITOF 激光雷达经由过程比拟发射和反射脉冲序列的相位来事情。ITOF 激光雷达比来显示出伟大的增进，由于它可以或许应用简化的接收器并是以下降本钱。成像芯片是基于低成本 CMOS 相机成像手艺开辟进去的，该手艺可以让成像芯片为每一个像素供应间隔信息。这反过来又同意一次捕捉整帧间隔信息。这些偶然被称为“闪光激光雷达”，由于它们应用激光作为闪光灯来照亮场景。尽管最后的设想是用硅激光驱动器实现的，但它们的射程很短，而且因为激光脉冲弱且外形欠安，图象质量差，帧速度较低。GaN FET 已被证实在这些设想中是无效的，它能够以经济高效的体式格局完成更高的电流、更快的脉冲以及更清楚的边缘。
便携式激光雷达体系的典范 ITOF 规格
ITOF 激光雷达的大部分增进都处于中等局限，从不到 1 米到数十米。这些体系包孕单点间隔丈量体系和百万像素 TOF 相机，但由于可以或许在一个检测周期内捕捉宽视线，是以趋向倾向多点和成像体系。这类趋向有利于可以或许一次照亮全部场景的光源，这关于垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 来说是自然而然的抉择。
单个 VCSEL 异常小，但由于它们从芯片外貌发射，是以能够在单个芯片上集成许多 VCSEL 以增添光输入。关于小型便携式体系，典范的脉冲电流请求局限为 2-10 A。尽管单个 VCSEL 在低电流下的电压降很小，但等效串连电阻会在较高电流下惹起相当大的电压降。VCSEL 的串连连贯会进一步增添电压降。平日用于连贯 VCSEL 的引线键合会因为增添的电感而发生额定的电压降。往常，VCSEL 的电压降局限为 3 V 至 30 V，许多使用需求 ≥ 10 V。在突发模式下事情时，脉冲频次局限可能从几 MHz 到 100 MHz 以上。
图3：ITOF操纵概览图。
因为 ITOF 成像仪应用相位差检测，波形的外形异常首要。应用矩形脉冲大大简化了相位检测，而且拥有应用开关作为调制器的额定优点。这简化了激光驱动器并大大降低了总体系功率请求。总而言之，ITOF 激光雷达体系的激光驱动器应可以或许从高达 30V 的总线发生 2 至 10 A 的脉冲，开关频次大概≥100 MHz，最小脉冲宽度为 2 ns 或更小。这是一个普遍的规格局限，平日的要领是针对每一个使用定制基于 GaN 的激光驱动器设想。关于基于硅的激光驱动器，这类设想空间的大部分是完整无奈完成的。
整合的优点
当代 eGaN 功率 FET 拥有所需的电流和电压额定值，其回升和降低时候小于 1 ns，是以能够轻松餍足上述请求。事实上，单个 0.81 mm2 eGaN FET（如汽车级 EPC2203）能够餍足上述全部设想空间。然而，这类 FET 的驱动请求与发生发射脉冲的数字子系统的输入不间接兼容，由于这些输入往往是 3.3 V 或更低的高压逻辑，而且拥有低驱动电流才能。是以，需求一个栅极驱动器来将数字旌旗灯号连接到 FET。这是一个题目，由于很少有栅极驱动器可以或许驱动高达 100 MHz 及以上的 eGaN FET，同时坚持倏地的回升和降低时候。拥有所需驱动才能的少数驱动器损耗的功率程度弗成接收。另外，栅极驱动器和 FET 之间的物理间隔会增添栅极环路的电感，从而进一步下降功能。最初，栅极驱动器占用空间（比 FET 占用更多空间），增加了本钱并降低了可靠性。GaN手艺完成了栅极驱动器与主FET的集成，从而提高了功能，减少了整机数目，并获得了所有随之而来的优点。
体现
Efficient Power Conversion 开发了一系列单片 GaN IC 激光驱动器，如图 1 所示。首要版本的关头开端规格如表 I 所示。
表一：EPC21601激光驱动器在25°C时的首要规格。
该 IC 系列有三种型号：(1) 2.5 V 逻辑输出，IC 电源为 5V；(2) 5 V 逻辑输出和 12 V 电源；(3) 高压差分旌旗灯号 (LVDS) 输出，使其可以或许在嘈杂的数字环境中间接由高速数字 IC 驱动。所有三种型号均接纳沟通的 2×3 BGA 芯片级封装，尺寸为 1 妹妹 × 1.5 妹妹，而且仅需一个旁路电容器。
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