自動(dòng)駕駛是新能源汽車智能化的重要發(fā)展方向，而具備強(qiáng)感知能力的激光雷達(dá)則是L2+及以上級(jí)別自動(dòng)駕駛不可或缺的硬件設(shè)備。納芯微的單通道高速柵極驅(qū)動(dòng)芯片NSD2017，專為激光雷達(dá)發(fā) 射器中驅(qū)動(dòng)GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）而設(shè)計(jì)，助力應(yīng)對(duì)激光雷達(dá)應(yīng)用中的各項(xiàng)挑戰(zhàn)。

1）激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

自動(dòng)駕駛中使用的激光雷達(dá)通常采用DToF（Direct Time-of-Flight）測(cè)距方式，即通過(guò)直接測(cè)量激光的飛行時(shí)間來(lái)進(jìn)行距離測(cè)量和地圖成像。下圖為DToF激光雷達(dá)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，其中信號(hào)處理單元通過(guò)記錄激光發(fā) 射器發(fā)出光脈沖的時(shí)刻，以及激光接收器收到光脈沖的時(shí)刻，根據(jù)時(shí)間間隔和光速即可計(jì)算出目標(biāo)距離。

DToF激光雷達(dá)典型系統(tǒng)

激光雷達(dá)為了實(shí)現(xiàn)高分辨率與寬檢測(cè)范圍，需要極窄的激光脈沖寬度、極快的激光脈沖頻率和極高的激光脈沖功率，這對(duì)激光發(fā) 射器中功率開關(guān)器件的性能提出了更高的要求。相比傳統(tǒng)的Si MOSFET，GaN HEMT具有更優(yōu)越的開關(guān)特性，非常適合DToF激光雷達(dá)應(yīng)用。GaN HEMT的性能表現(xiàn)依賴于高速、高驅(qū)動(dòng)能力和高可靠性的GaN柵極驅(qū)動(dòng)芯片，NSD2017憑借其優(yōu)異的產(chǎn)品特性，充分發(fā)揮了GaN HEMT在激光雷達(dá)中的優(yōu)勢(shì)。

2）NSD2017產(chǎn)品特性

- 推薦工作電壓：4.75V~5.25V

- 峰值拉灌電流：7A/5A

- 最小輸入脈寬: 1.25ns

- 傳輸延時(shí): 2.6ns

- 脈寬畸變: 300ps

- 上升時(shí)間@220pF負(fù)載: 650ps

- 下降時(shí)間@220pF負(fù)載: 850ps

- 封裝：DFN6(2mm*2mm)，WLCSP(1.2mm*0.8mm)

- 滿足AEC-Q100車規(guī)認(rèn)證

- 同相和反相輸入引腳可用于產(chǎn)生極窄脈寬

- 具備UVLO、OTSD保護(hù)

NSD2017典型應(yīng)用框圖

3） NSD2017關(guān)鍵性能應(yīng)對(duì)激光雷達(dá)應(yīng)用挑戰(zhàn)

1.  大電流驅(qū)動(dòng)能力，支持激光雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)

激光雷達(dá)的遠(yuǎn)距離探測(cè)能力使自動(dòng)駕駛車輛能夠提前發(fā)現(xiàn)障礙物并及時(shí)避讓，從而提升自動(dòng)駕駛速度上限。為實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，通常需要在保證不損傷人眼的前提下，采用更大功率的激光發(fā) 射器，這就需要更大電流的GaN HEMT以及驅(qū)動(dòng)能力更高的驅(qū)動(dòng)芯片。納芯微的NSD2017具備7A峰值拉電流和5A灌電流能力，可用于驅(qū)動(dòng)大電流GaN HEMT，從而產(chǎn)生高峰值激光功率，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)。

2.  極窄輸入脈寬，滿足激光雷達(dá)高測(cè)距精度要求

DToF激光雷達(dá)通過(guò)測(cè)量脈沖激光發(fā)射和接收的時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距，但是如果來(lái)自兩個(gè)相鄰目標(biāo)的反射光脈沖發(fā)生重疊，系統(tǒng)將無(wú)法分辨出這兩個(gè)相鄰目標(biāo)的距離信息。為了滿足厘米級(jí)別的距離分辨率的要求，激光雷達(dá)需要極窄的光脈沖寬度，通常低至幾納秒，并且具有快速的上升沿和下降沿。NSD2017的最小輸入脈寬典型值僅為1.25ns，且開啟和關(guān)斷路徑具有優(yōu)異的延遲匹配，輸入到輸出的脈沖寬度失真低至300ps。此外在220nF負(fù)載下，NSD2017的上升時(shí)間典型值為650ps，下降時(shí)間典型值為850ps，也有利于產(chǎn)生更窄的脈沖激光。

NSD2017最小輸入脈寬測(cè)試，Ch1為輸入波形，Ch2為輸出波形

3. 小封裝和高頻開關(guān)，優(yōu)化激光雷達(dá)角分辨率與點(diǎn)頻性能

激光雷達(dá)的角分辨率表示掃描過(guò)程中相鄰兩個(gè)激光點(diǎn)之間的角度差，點(diǎn)頻則表示在三維視場(chǎng)內(nèi)每秒發(fā)出的激光點(diǎn)數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，激光雷達(dá)的角分辨率越小，相鄰點(diǎn)云之間越密集，往往點(diǎn)頻越高，激光雷達(dá)的感知能力也就越強(qiáng)。為實(shí)現(xiàn)更高的角分辨率和點(diǎn)頻，激光雷達(dá)需要布置更多的激光發(fā) 射器，因而對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片的封裝尺寸提出了更高的要求。NSD2017車規(guī)級(jí)芯片不但提供DFN (2mm*2mm) 封裝，還可以提供更小尺寸的WLCSP (1.2mm*0.8mm) 封裝。NSD2017支持最高60MHz開關(guān)頻率，傳輸延時(shí)典型值低至2.6ns，確保了系統(tǒng)控制環(huán)路具有足夠快的響應(yīng)時(shí)間，也有利于提高激光雷達(dá)點(diǎn)頻性能。

NSD2017傳輸延時(shí)測(cè)試，Ch1為輸入波形，Ch2為輸出波形

4. 強(qiáng)抗干擾能力，保證激光雷達(dá)的安全可靠

在激光發(fā) 射器中，為了快速開關(guān)GaN HEMT，柵極驅(qū)動(dòng)芯片外部的柵極串聯(lián)電阻通常設(shè)置為零；柵極驅(qū)動(dòng)芯片的峰值拉電流和灌電流，會(huì)通過(guò)芯片的封裝寄生電感和PCB寄生電感，引起芯片內(nèi)部的VDD和GND產(chǎn)生較大的抖動(dòng)，從而可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路工作異常。NSD2017通過(guò)優(yōu)化封裝寄生電感，并且在芯片內(nèi)部集成去耦電容，有效地濾除驅(qū)動(dòng)電路抽載產(chǎn)生的高壓毛刺，從而提升了抗噪聲能力。此外，NSD2017具備過(guò)溫保護(hù)和欠壓保護(hù)功能，保證激光雷達(dá)安全可靠地工作。

4）總結(jié)

GaN HEMT柵極驅(qū)動(dòng)芯片NSD2017具備高開關(guān)頻率、低傳輸延時(shí)、極窄脈寬、低失真、強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾等特性，采用小尺寸車規(guī)級(jí)封裝，能夠助力應(yīng)對(duì)激光雷達(dá)各項(xiàng)應(yīng)用挑戰(zhàn)，提升感知能力，確保其安全可靠運(yùn)行。