秦堯，明鑫，葉自凱，莊春旺，張波

（電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610054）

1 引言

激光雷達(dá)是一種可以快速并精確獲取探測(cè)目標(biāo)三維信息的光探測(cè)雷達(dá)，可以完成對(duì)周?chē)h(huán)境目標(biāo)的距離測(cè)量并且實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)環(huán)境的三維成像[1]。相比于無(wú)線電雷達(dá)，激光雷達(dá)使用波長(zhǎng)更短的激光作為光源，具有更高的空間和時(shí)間分辨率，測(cè)量精度更高，抗干擾能力更強(qiáng)并且系統(tǒng)更易小型化等優(yōu)勢(shì)。因此，激光雷達(dá)在目標(biāo)識(shí)別，高精度三維成像和距離測(cè)量方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2]。這些優(yōu)勢(shì)使得激光雷達(dá)的應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，民用領(lǐng)域有地圖測(cè)繪、汽車(chē)自動(dòng)駕駛、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品[3-6]，軍事領(lǐng)域有航空航天、無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航、地球和太空地圖成像[7-8]。DToF（Direct Timeof-Flight）激光雷達(dá)可以通過(guò)激光的飛行時(shí)間直接獲取探測(cè)目標(biāo)的距離和三維空間信息，這一能力對(duì)于自動(dòng)駕駛和地圖測(cè)繪非常有用。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，DToF激光雷達(dá)在近幾年發(fā)展迅速并且逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

第三代寬禁帶半導(dǎo)體GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）應(yīng)用在高分辨率、高工作頻率和高輸出功率的激光雷達(dá)中有著比Si功率MOSFET更明顯的優(yōu)勢(shì)和巨大的潛力，已經(jīng)成為現(xiàn)代激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。為了能最大程度地發(fā)揮GaN HEMT在激光雷達(dá)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，需要定制高性能的GaN柵驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)槎ㄖ苹母咝阅蹽aN柵驅(qū)動(dòng)電路是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。DToF激光雷達(dá)系統(tǒng)中的激光驅(qū)動(dòng)器在脈沖模式下工作，光脈沖的參數(shù)根據(jù)應(yīng)用的不同變化很大[6]。自動(dòng)駕駛應(yīng)用中要求DToF激光雷達(dá)產(chǎn)生高功率和持續(xù)時(shí)間非常短的光脈沖，這對(duì)激光驅(qū)動(dòng)器的性能提出了很高的要求。本文針對(duì)高脈沖功率和短持續(xù)時(shí)間的DToF激光雷達(dá)系統(tǒng)，分析了激光二極管驅(qū)動(dòng)電路面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，GaN HEMT相比于Si基功率MOSFET的優(yōu)勢(shì)，以及DToF激光雷達(dá)系統(tǒng)中GaN柵驅(qū)動(dòng)電路面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)并介紹了適合該應(yīng)用的GaN柵驅(qū)動(dòng)電路。

2 激光二極管驅(qū)動(dòng)電路面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

DToF激光雷達(dá)工作時(shí)，激光信號(hào)以光脈沖的形式發(fā)射和接收。DToF激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作過(guò)程如圖1所示，信號(hào)處理單元通過(guò)計(jì)算光脈沖發(fā)射時(shí)刻t1到接收時(shí)刻t2的時(shí)間內(nèi)激光傳輸?shù)木嚯x可以計(jì)算出目標(biāo)的距離L，L=c(t2-t1)/2，其中c為光速。通過(guò)不同反射脈沖的時(shí)間差可以計(jì)算出不同目標(biāo)之間的距離并且將目標(biāo)分解成單個(gè)物體。圖1中，當(dāng)來(lái)自相鄰目標(biāo)A和目標(biāo)B的反射光脈沖重疊后，激光雷達(dá)系統(tǒng)無(wú)法分辨出目標(biāo)A和目標(biāo)B的信息。激光脈沖寬度td決定了激光雷達(dá)的空間分辨率d，d表示激光在td時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)木嚯x的一半：

圖1 DToF激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作過(guò)程

因此，更短的光脈沖td意味著系統(tǒng)更高的距離分辨率。當(dāng)光脈沖寬度降低后，光脈沖的頻率可以隨之升高，對(duì)目標(biāo)物體數(shù)據(jù)的生成速率更快，最終成像后的圖像清晰度和流暢度更高[3]。激光雷達(dá)依靠來(lái)自目標(biāo)的反射光進(jìn)行距離檢測(cè)和目標(biāo)識(shí)別，光脈沖的功率影響反射光的質(zhì)量，進(jìn)而影響探測(cè)距離，提高光脈沖的功率可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的射程和更大的檢測(cè)范圍。

自動(dòng)駕駛應(yīng)用中要求DToF激光雷達(dá)的距離分辨率達(dá)到幾厘米并且探測(cè)范圍達(dá)到300 m[6,9]。為了避免激光脈沖對(duì)人眼造成傷害以及系統(tǒng)熱限制，激光脈沖的寬度需要盡可能窄。極高的分辨率、寬檢測(cè)范圍、系統(tǒng)熱限制以及人眼安全限制需要DToF激光雷達(dá)輸出電流脈沖Ipulse的寬度低至1 ns，輸出脈沖峰值電流超過(guò)100 A[10]。因此，激光驅(qū)動(dòng)器的輸出激光電流脈沖需要具有亞納秒級(jí)的脈沖切換時(shí)間，高工作頻率和高功率。高分辨率和寬檢測(cè)范圍的DToF激光雷達(dá)中需要具有低優(yōu)值（FoM）和低寄生電感的功率開(kāi)關(guān)器件。極窄的電流脈沖寬度和上百瓦的輸出脈沖功率要求功率開(kāi)關(guān)器件能夠在幾百皮秒內(nèi)完成開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，并且具有高的電流和電壓額定值，傳統(tǒng)Si基功率MOSFET的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間難以滿(mǎn)足要求，具有極低FoM和極低封裝寄生電感的GaN功率開(kāi)關(guān)器件可以用于驅(qū)動(dòng)激光二極管產(chǎn)生符合要求的電流脈沖[9-10]。高切換速率、高功率的脈沖電壓和電流會(huì)在激光驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)回路和功率回路中產(chǎn)生高的dV/dt和dI/dt，這需要最小化驅(qū)動(dòng)回路和功率回路中的寄生電感以減小功率開(kāi)關(guān)器件柵極和漏極的振蕩，提高系統(tǒng)工作的可靠性。

目前，激光雷達(dá)應(yīng)用中存在2種典型的激光二極管驅(qū)動(dòng)電路，電容放電型和矩形脈沖型[1]。電容放電型激光二極管驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是：電流脈沖持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)低于柵驅(qū)動(dòng)電路的最小脈沖時(shí)間，減輕了對(duì)柵驅(qū)動(dòng)最小脈沖時(shí)間的壓力；通過(guò)功率回路雜散電感產(chǎn)生諧振電流，只需對(duì)開(kāi)關(guān)器件柵極開(kāi)啟過(guò)程進(jìn)行控制，應(yīng)用和控制方式簡(jiǎn)單；具有穩(wěn)定的脈沖形狀，不容易產(chǎn)生脈沖失真。但是，激光脈沖電流寬度在特定的回路參數(shù)下保持恒定，無(wú)法調(diào)制；對(duì)總線電容再次充電的時(shí)間限制了激光脈沖頻率[11]，在高激光脈沖頻率下，由于總線電容電壓充電電荷量較少導(dǎo)致了不完整的激光脈沖電流和低輸出的激光脈沖功率，減小了有效檢測(cè)距離；此外，該方式通常需要高壓電源，這增加了系統(tǒng)成本和尺寸。矩形脈沖型激光二極管驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是：激光脈沖寬度可以調(diào)制，脈沖頻率更高；從總線電壓到地之間小的雜散電感和電阻使得脈沖電流具有亞納秒極的上升和下降時(shí)間，分辨率更高。但是，由于工藝、電壓及溫度變化的影響，激光電流脈沖的可重復(fù)性較差并且上升和下降速度不一致，從而導(dǎo)致圖像失真，需要對(duì)脈沖電流的峰值和上升、下降斜率進(jìn)行精確控制，增加了系統(tǒng)成本[12-13]。

3 GaN HEMT與Si功率MOSFET的對(duì)比

寬檢測(cè)范圍、高分辨率的激光雷達(dá)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)極窄的激光脈沖寬度、高的激光脈沖頻率和高的激光脈沖功率，這對(duì)激光驅(qū)動(dòng)器中功率開(kāi)關(guān)器件的性能提出了更高的要求與挑戰(zhàn)。窄脈沖寬度和高工作頻率需要功率開(kāi)關(guān)器件具有高開(kāi)關(guān)速度和低封裝電感。高脈沖功率需要功率開(kāi)關(guān)器件同時(shí)具有高的最大脈沖電流能力以及小的導(dǎo)通電阻。激光雷達(dá)通常具有多個(gè)激光發(fā)射通道，小的功率開(kāi)關(guān)尺寸允許各通道緊密排列，從而減小激光雷達(dá)的系統(tǒng)尺寸并簡(jiǎn)化光學(xué)元件[6]。

相比于具有同樣耐壓等級(jí)和相近電流能力的Si功率MOSFET器件，GaN HEMT具有更小的導(dǎo)通電阻和柵極優(yōu)值（QG·RG）[6]，其中QG為器件柵電荷，RG為器件內(nèi)部柵極串聯(lián)電阻。更小的導(dǎo)通電阻使得脈沖電流峰值更高，更小的柵極優(yōu)值使得GaN器件的開(kāi)關(guān)速度更快。適用于激光驅(qū)動(dòng)電路增強(qiáng)型GaN HEMT的網(wǎng)格陣列（LGA）封裝和晶圓級(jí)球柵陣列（BGA）封裝如圖2所示，相比于采用雙排扁平無(wú)引腳封裝（DFN）的Si功率MOSFET器件，其封裝寄生電感更低[6]，這使得GaN功率開(kāi)關(guān)器件相比于Si功率MOSFET器件更容易實(shí)現(xiàn)器件的最大開(kāi)關(guān)速度。GaN功率開(kāi)關(guān)器件采用更小尺寸的封裝，在減小激光雷達(dá)系統(tǒng)體積方面相對(duì)于Si功率MOSFET器件也具有很大優(yōu)勢(shì)。由于GaN功率開(kāi)關(guān)器件更小的柵電荷，更小的柵極寄生串聯(lián)電阻，更低的導(dǎo)通電阻和更小的封裝寄生電感，器件漏端電壓下降速度更快，脈沖電流具有更窄的寬度和更高的峰值，使得激光雷達(dá)可以在更遠(yuǎn)的射程內(nèi)具有更高的分辨率。DToF激光雷達(dá)中采用GaN HEMT與Si功率MOSFET的對(duì)比如圖3所示，在DToF激光雷達(dá)驅(qū)動(dòng)電路中，同樣耐壓等級(jí)的GaN HEMT和Si功率MOSFET相比，GaN HEMT漏端電壓下降速度更快，脈沖電流寬度更窄，峰值更高。采用GaN HEMT的DToF激光雷達(dá)具有更高的分辨率和輸出功率，可以獲得更清晰的圖像。

圖2 2種適用于激光驅(qū)動(dòng)電路的增強(qiáng)型GaN HEMT的封裝形式

圖3 DToF激光雷達(dá)中采用GaN HEMT與Si功率MOSFET的對(duì)比

4 DToF激光雷達(dá)中的GaN柵驅(qū)動(dòng)電路

4.1 GaN柵驅(qū)動(dòng)電路面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

功率開(kāi)關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)電路是激光二極管驅(qū)動(dòng)電路控制信號(hào)與功率開(kāi)關(guān)器件之間的接口，柵驅(qū)動(dòng)電路向功率開(kāi)關(guān)器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動(dòng)電流，在功率開(kāi)關(guān)器件的柵極產(chǎn)生柵驅(qū)動(dòng)電壓脈沖，該電壓脈沖的頻率和占空比與控制信號(hào)保持一致。在DToF激光雷達(dá)應(yīng)用中，為了能夠在幾百皮秒內(nèi)完成GaN HEMT的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)1 ns以下的脈沖電流寬度，GaN柵驅(qū)動(dòng)電路需要提供足夠大的柵驅(qū)動(dòng)電流。低至1 ns的脈沖寬度要求GaN柵驅(qū)動(dòng)電路從輸入到輸出的脈沖寬度失真低至幾百皮秒，這要求柵驅(qū)動(dòng)中的開(kāi)啟路徑和關(guān)斷路徑具有優(yōu)異的延遲匹配性。激光二極管驅(qū)動(dòng)電路高達(dá)幾十兆赫茲的工作頻率要求系統(tǒng)控制環(huán)路有足夠小的響應(yīng)時(shí)間，這需要GaN柵驅(qū)動(dòng)電路具有極低的傳輸延時(shí)。極高的工作頻率也要求GaN柵驅(qū)動(dòng)電路具有低功耗以減小高頻工作時(shí)產(chǎn)生的熱量。為了保證激光二極管驅(qū)動(dòng)電路的工作可靠性，柵驅(qū)動(dòng)電路需要具有過(guò)溫和過(guò)壓保護(hù)機(jī)制。

矩形脈沖式激光二極管驅(qū)動(dòng)電路中寄生電感的分布和影響如圖4所示，VPWM為輸入控制信號(hào)，VDD為柵驅(qū)動(dòng)電源電壓，VBUS為功率級(jí)總線電壓，DL為激光二極管。為了快速開(kāi)關(guān)GaN HEMT，柵驅(qū)動(dòng)外部的柵極串聯(lián)電阻（RG）通常為零，高的柵驅(qū)動(dòng)拉電流Isource和灌電流Isink會(huì)通過(guò)柵驅(qū)動(dòng)的封裝寄生電感LP引起驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的電源和地產(chǎn)生較大的抖動(dòng)，可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路故障。因此，柵驅(qū)動(dòng)需要采用相應(yīng)的防地彈和電源噪聲等措施提高抗噪聲能力，并且需要采用低寄生電感的封裝形式，比如BGA封裝。開(kāi)啟GaN HEMT時(shí)，驅(qū)動(dòng)回路中的柵極串聯(lián)寄生電感（LG）容易引起柵源電壓VGS出現(xiàn)幅度較大的過(guò)沖，導(dǎo)致柵極過(guò)壓；關(guān)斷GaN HEMT后，LG容易在柵極引起幅度較大的振鈴，導(dǎo)致器件誤開(kāi)啟。LG以及驅(qū)動(dòng)回路和功率回路共有的共源電感LCSI均會(huì)衰減器件的開(kāi)關(guān)速度，導(dǎo)致系統(tǒng)分辨率降低并且增加功率管的開(kāi)關(guān)損耗。因此，需要優(yōu)化柵驅(qū)動(dòng)回路設(shè)計(jì)以盡可能減小LG，柵驅(qū)動(dòng)和功率管之間需要采用開(kāi)爾文連接以盡可能減小LCSI。矩形脈沖型激光二極管驅(qū)動(dòng)電路功率回路雜散電感（Lstray）會(huì)衰減激光脈沖電流（ID）的上升速度，關(guān)斷GaN HEMT后Lstray會(huì)在GaNHEMT漏源電壓VDS和激光脈沖電流中引起振鈴，過(guò)大的振鈴幅度會(huì)導(dǎo)致GaN HEMT漏端電壓超過(guò)其電應(yīng)力而損壞器件，并且造成系統(tǒng)EMI性能?chē)?yán)重下降。因此，需要優(yōu)化印制電路板（PCB）中功率回路的布線設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)盡可能小的Lstray。功率回路最優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖5所示，這是一種具有低雜散電感的功率回路PCB布板方式，其中激光二極管、GaN HEMT和總線電容CBUS放置在頂層，功率回路的返回路徑位于PCB板第一中間層并且置于頂層功率回路路徑的正下方，該布局、布線方式可以獲得最小的功率回路尺寸并且實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)自相消[16]，從而最大程度減小功率回路雜散電感。采用相同的方式設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)回路，也可以實(shí)現(xiàn)柵極串聯(lián)寄生電感的最小化。

圖4 矩形脈沖式激光二極管驅(qū)動(dòng)電路中寄生電感的分布和影響

圖5 功率回路最優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.2 DToF激光雷達(dá)中的GaN柵驅(qū)動(dòng)電路

目前適用于DToF激光雷達(dá)的GaN柵驅(qū)動(dòng)電路分為分立式和單片集成式2種形式。分立式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路采用Si基CMOS工藝制作，通過(guò)PCB基板或者鍵合線實(shí)現(xiàn)柵驅(qū)動(dòng)和GaN功率管的互聯(lián)。單片集成式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路采用GaN-on-Si工藝或者GaN-on-SOI工藝將GaN HEMT和柵驅(qū)動(dòng)電路集成到一顆芯片上[17-18]。

分立式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路如圖6（a）所示，分立式方案中，PCB走線的寄生電感存在于柵驅(qū)動(dòng)回路和功率回路中，鍵合線中的寄生電感存在于柵驅(qū)動(dòng)回路中，這些寄生電感導(dǎo)致了較大的柵極串聯(lián)寄生電感和共源電感。較大的柵極串聯(lián)寄生電感和共源電感衰減了驅(qū)動(dòng)速度，增大了開(kāi)關(guān)損耗，高頻工作時(shí)較高的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)降低系統(tǒng)效率并且容易引起器件過(guò)熱。較大的柵極串聯(lián)寄生電感也使得GaN HEMT開(kāi)關(guān)速度和柵極可靠性之間存在折衷，過(guò)大的驅(qū)動(dòng)電流很容易通過(guò)柵極串聯(lián)寄生電感引起GaN HEMT柵極過(guò)壓或誤開(kāi)啟，降低了驅(qū)動(dòng)可靠性。為了保證驅(qū)動(dòng)可靠性，通常加入柵極串聯(lián)電阻抑制柵極振鈴，使柵驅(qū)動(dòng)電流受限，進(jìn)而限制DToF激光雷達(dá)分辨率的進(jìn)一步提升。因此，在分立式驅(qū)動(dòng)方案中，設(shè)計(jì)和優(yōu)化驅(qū)動(dòng)回路以及功率回路布局、布線方式以盡可能減小回路寄生電感，是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路和GaN HEMT高速性能的關(guān)鍵因素之一。在分立式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路的研究方面，文獻(xiàn)[13]中的分立式柵驅(qū)動(dòng)電路采用激光二極管峰值電流校準(zhǔn)技術(shù)和電流脈沖平衡技術(shù)對(duì)激光脈沖電流進(jìn)行精確控制，解決了矩形脈沖型激光二極管驅(qū)動(dòng)電路中激光脈沖電流可重復(fù)性差的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了0.2 ns的脈沖電流上升和下降時(shí)間，0.9 ns的脈沖電流寬度和最大200 MHz的工作頻率。國(guó)外的公司已經(jīng)有成熟的商用產(chǎn)品，LMG1020、LMG1025-Q1是美國(guó)德州儀器公司推出的針對(duì)高頻應(yīng)用的分立式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路，具有1 ns的最小脈寬輸出能力和2.5 ns的極低傳輸延時(shí)，工作頻率可達(dá)60 MHz，脈沖寬度失真低于300 ps，輸出脈沖上升和下降時(shí)間低于400 ps，并且具有片上欠壓和過(guò)溫保護(hù)功能，非常適用于高分辨率，寬檢測(cè)范圍的DToF激光雷達(dá)。日本pSemi公司在激光雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域也推出分立式半橋GaN柵驅(qū)動(dòng)電路PE29101，其工作頻率為40 MHz，最小輸入脈沖寬度為2 ns，輸出脈沖上升和下降時(shí)間為1 ns。

圖6 分立式和單片集成式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路的比較

單片集成式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路如圖6（b）所示，單片集成式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路的柵極串聯(lián)寄生電感和共源電感可以縮小到接近零，這可以極大地緩解分立式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中存在的矛盾。GaN HEMT開(kāi)關(guān)速度和柵極可靠性的折衷可以得到完美解決，在充分發(fā)揮GaN HEMT高速特性的同時(shí)可以保證驅(qū)動(dòng)的可靠性。分立式和單片集成式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路的瞬態(tài)波形如圖6（c）所示，相比于分立式電路，單片集成式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路可以實(shí)現(xiàn)更快的器件開(kāi)關(guān)速度、更低的開(kāi)關(guān)損耗Ploss、更高的驅(qū)動(dòng)可靠性、更短的脈沖電流寬度和更小的系統(tǒng)尺寸。但是，單片集成式方案中PCB走線電感仍然會(huì)在功率回路中引入雜散電感，同樣需要優(yōu)化功率回路布局、布線以盡可能減小雜散電感。

在Si基GaN工藝的研究方面，目前還存在一些問(wèn)題。1）缺少P型GaN HEMT。由于P型GaN HEMT的空穴遷移率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于N型GaN HEMT的電子遷移率，設(shè)計(jì)具有類(lèi)似上拉和下拉能力的互補(bǔ)反相器，P型GaN HEMT的面積遠(yuǎn)高于N型GaN HEMT，這導(dǎo)致了互補(bǔ)反相器較差的延時(shí)和功耗性能，并且導(dǎo)致了較大的芯片面積[19]。因此，目前的Si基GaN工藝中通常只集成N型GaN HEMT[20]。2）工藝不成熟。同一塊晶圓上生產(chǎn)出來(lái)的GaNHEMT可能差異明顯，往往會(huì)在運(yùn)放的輸入端產(chǎn)生200 mV左右的失調(diào)電壓，需要采用自動(dòng)清零等電路技術(shù)消除失調(diào)[20]。3）GaN HEMT閾值電壓漂移和電流崩塌。在GaN HEMT開(kāi)關(guān)過(guò)程中，當(dāng)發(fā)生柵下載流子俘獲時(shí)，會(huì)造成溝道中二維電子氣的變化，柵極下方俘獲電荷的不同會(huì)導(dǎo)致閾值電壓漂移。GaN HEMT閾值電壓的漂移可能會(huì)嚴(yán)重影響電路的工作狀態(tài)和性能。載流子的陷阱俘獲效應(yīng)還會(huì)嚴(yán)重降低漏極電流，導(dǎo)致器件的導(dǎo)通電阻在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期下成比例地增加，增大導(dǎo)通損耗。在柵極和源極使用場(chǎng)板可以減小柵極邊緣處的電場(chǎng)強(qiáng)度，使電場(chǎng)在源漏之間分布地更加均勻，從而抑制閾值電壓漂移和電流崩塌效應(yīng)[21]。

在單片集成式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路的研究方面，文獻(xiàn)[22-24]采用耗盡型N型GaN HEMT和增強(qiáng)型N型GaN HEMT構(gòu)成的傳統(tǒng)全GaN反相器中存在靜態(tài)功耗，并且反相器輸出的上升速率遠(yuǎn)低于下降速率，難以應(yīng)用在DToF激光雷達(dá)中。文獻(xiàn)[25]中的反相器無(wú)靜態(tài)功耗，并且采用電荷泵提高了反向器輸出的上升速度，但是，電荷泵和驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出功率管柵源電壓的充電飽和度受限，反相器輸出的上升速度也難以滿(mǎn)足DToF激光雷達(dá)的要求。文獻(xiàn)[26]采用3倍電荷泵提升了驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出功率開(kāi)關(guān)管柵源電壓的充電飽和度，但是電荷泵電容上仍然存在一個(gè)二極管壓降的電壓損失。電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和珠海英諾賽科合作研發(fā)了一種適用于DToF激光雷達(dá)應(yīng)用的單片集成式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路，芯片采用BGA封裝以最小化寄生電感，在20 MHz開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)10 A的脈沖峰值電流和2 ns的脈沖電流寬度，開(kāi)啟/關(guān)斷延時(shí)為1.98 ns/953 ps，漏極上升/下降時(shí)間為435 ps/259 ps[27]。該單片集成式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路由偏置級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)和GaN功率開(kāi)關(guān)管3部分構(gòu)成。偏置級(jí)用于增強(qiáng)輸入邏輯控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，并且可以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)級(jí)的死區(qū)時(shí)間從而減小驅(qū)動(dòng)級(jí)的穿通損耗。驅(qū)動(dòng)級(jí)用于快速開(kāi)關(guān)GaN功率開(kāi)關(guān)管，通過(guò)采用具有自循環(huán)轉(zhuǎn)換速率增強(qiáng)型3倍電荷泵的全N型自舉反向器完全消除電荷泵和驅(qū)動(dòng)級(jí)功率管柵源電壓上的電壓損失，最終將功率管柵源電壓提升至電源電壓，增強(qiáng)了對(duì)功率開(kāi)關(guān)管柵極的上拉能力，在不衰減傳輸延時(shí)的情況下可以使激光脈沖電流寬度最小化。國(guó)外公司已有成熟的商用產(chǎn)品，EPC21601和EPC21603是美國(guó)宜普公司推出的針對(duì)DToF激光雷達(dá)的單片集成式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路，其具有2 ns的最小脈寬輸出能力和2.9 ns的極低傳輸延時(shí)，工作頻率超過(guò)100 MHz，漏極電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間小于500 ps，峰值脈沖電流為10 A[28]。

5 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用于自動(dòng)駕駛的DToF激光雷達(dá)因其高分辨率、寬檢測(cè)范圍、系統(tǒng)熱限制以及人眼安全限制等要求，需要激光二極管驅(qū)動(dòng)電路能夠輸出高切換速度、高功率和窄脈寬的激光脈沖電流。相比于具有相同耐壓和電流能力的Si基MOSFET，GaN HEMT具有更小的導(dǎo)通電阻和柵極優(yōu)值，可以滿(mǎn)足DToF激光雷達(dá)的要求，并且可以減小系統(tǒng)體積，提升系統(tǒng)效率。為了充分發(fā)揮GaN功率開(kāi)關(guān)器件在DToF激光雷達(dá)中的優(yōu)勢(shì)，具有強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力、高速、低功耗和高可靠性的GaN柵驅(qū)動(dòng)電路和充分優(yōu)化的PCB布局、布線方案是必不可少的。單片集成式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路相比于分立式GaN柵驅(qū)動(dòng)電路可以實(shí)現(xiàn)性能更優(yōu)、成本更低的DToF激光雷達(dá)系統(tǒng)。