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(kāi)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(hào)器件的單片集成，并且集成 GaN 功率 IC 開(kāi)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(shí)提高可靠性和性能。
　　本文提供了一個(gè)示例，說(shuō)明引入集成 FET 和柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 帶來(lái)的好處。該 IC 主要被設(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。當(dāng)開(kāi)關(guān)電流為 10 A 時(shí)，該 IC 的輸出上升和下降時(shí)間低于 600 ps，其輸出 RDS(on) 約為 50 mΩ。并且可以以超過(guò) 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(jí)封裝（見(jiàn)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(shí) EPC21601 激光驅(qū)動(dòng)器的主要規(guī)格。

　　圖 1：EPC21601 全集成 GaN 功率開(kāi)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)器是脈沖功率應(yīng)用。圖 2 顯示了簡(jiǎn)化的激光驅(qū)動(dòng)器。最初，開(kāi)關(guān) Q1 關(guān)閉，C1 充電至輸入電壓 VIN。命令信號(hào)命令導(dǎo)致開(kāi)關(guān)Q1通過(guò)激光二極管D1對(duì)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)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(guò) 100 A。　　激光驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化原理圖

　　圖 2：激光驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)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(shí)間（DTOF）和間接飛行時(shí)間（ITOF）[4]。典型的 DTOF 激光雷達(dá)發(fā)送單獨(dú)的脈沖并對(duì)反射進(jìn)行計(jì)時(shí)，以計(jì)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(jiǎn)化的接收器并因此實(shí)現(xiàn)更低的成本，ITOF 激光雷達(dá)最近顯示出巨大的增長(zhǎng)。成像芯片是基于低成本 CMOS 相機(jī)成像技術(shù)而開(kāi)發(fā)的，該技術(shù)使成像芯片能夠提供每個(gè)像素的距離信息。這又允許一次捕獲整個(gè)距離信息幀。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(lái)照亮場(chǎng)景。盡管最初的設(shè)計(jì)是使用硅激光驅(qū)動(dòng)器完成的，但這些驅(qū)動(dòng)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(shí)證明，GaN FET 在這些設(shè)計(jì)中非常有效，能夠以經(jīng)濟(jì)高效的方式實(shí)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(zhǎng)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(diǎn)距離測(cè)量系統(tǒng)到百萬(wàn)像素 TOF 相機(jī)，但由于能夠在一個(gè)檢測(cè)周期中捕獲寬視場(chǎng)，因此趨勢(shì)傾向于多點(diǎn)和成像系統(tǒng)。這一趨勢(shì)青睞能夠同時(shí)照亮整個(gè)場(chǎng)景的光源，這非常適合垂直腔表面發(fā)射激光器 (VCSEL)。
　　單個(gè) 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(gè)芯片上以增加光輸出。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 在低電流下的壓降很小，但等效串聯(lián)電阻會(huì)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(huì)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(shí)，脈沖頻率范圍可能從幾 MHz 到超過(guò) 100 MHz。　　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)，因此波形的形狀很重要。矩形脈沖的使用極大地簡(jiǎn)化了相位檢測(cè)，并且具有使用開(kāi)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(dòng)器應(yīng)能夠從高達(dá) 30V 的總線生成 2 至 10 A 脈沖，開(kāi)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，通常的方法是為每個(gè)應(yīng)用定制基于 GaN 的激光驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。對(duì)于硅基激光驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，大部分設(shè)計(jì)空間是完全無(wú)法實(shí)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(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（例如符合汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)的 EPC2203）就可以滿足上述整個(gè)設(shè)計(jì)空間的要求。然而，此類 FET 的驅(qū)動(dòng)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?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，需要柵極驅(qū)動(dòng)器將數(shù)字信號(hào)連接至 FET。這是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楹苌儆袞艠O驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng) eGaN FET 高達(dá) 100 MHz 及以上，同時(shí)保持快速的上升和下降時(shí)間。少數(shù)具有所需驅(qū)動(dòng)能力的設(shè)備消耗的功率水平令人無(wú)法接受。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 更多的空間）、增加成本并降低可靠性。 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、減少了部件數(shù)量并獲得了所有隨之而來(lái)的好處。
　　表現(xiàn)
　　Efficient Power Conversion 開(kāi)發(fā)了一系列單片 GaN IC 激光驅(qū)動(dòng)器，如圖 1 所示。主要版本的主要初步規(guī)格如表 I 所示。
　
　　表 I：25°C 時(shí) EPC21601 激光驅(qū)動(dòng)器的主要規(guī)格。　　該 IC 系列共有三個(gè)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(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)。所有三種變體均采用相同的 2×3 BGA 芯片級(jí)封裝，占用面積為 1 mm × 1.5 mm，并且僅需要一個(gè)旁路電容器。

　　圖 4 顯示了驅(qū)動(dòng) 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(shí)，產(chǎn)生的電流脈沖的幅度為 10 A。圖 (4a) 顯示單個(gè)脈沖。漏極電壓vdrain 下降時(shí)間tf 測(cè)量導(dǎo)通時(shí)間，tr 測(cè)量關(guān)斷時(shí)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(guò)熱。圖 (4b) 顯示了 10 個(gè)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(guò)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：?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(dòng)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(gè)脈沖，圖 (5b) 顯示 10 個(gè)周期的 100 MHz 突發(fā)。 VCSEL 封裝包含一條鍵合線，該鍵合線會(huì)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(shí)間。請(qǐng)注意，由于該電感和 10 V 轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的較高阻抗會(huì)導(dǎo)致開(kāi)啟時(shí)間（下降時(shí)間 tf）小于 300 ps。　　驅(qū)動(dòng)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(dòng)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)。