【導(dǎo)讀】光探測(cè)與測(cè)距(LiDAR)是一項(xiàng)具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。首個(gè)概念是在激光發(fā)明后不久的20世紀(jì)60年代提出的，隨后在測(cè)量，航空航天和自動(dòng)駕駛汽車方面的機(jī)會(huì)真正推動(dòng)了增長。
光探測(cè)與測(cè)距(LiDAR)是一項(xiàng)具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。首個(gè)概念是在激光發(fā)明后不久的20世紀(jì)60年代提出的，隨后在測(cè)量，航空航天和自動(dòng)駕駛汽車方面的機(jī)會(huì)真正推動(dòng)了增長。
LiDAR系統(tǒng)的測(cè)繪和應(yīng)用范圍各不相同，但它們的工作原理是相同的。他們將激光指向目標(biāo)，并利用激光反射到光源所需的時(shí)間來測(cè)量距離。“點(diǎn)云”也可以用來生成3D圖像。激光脈沖速率越高，激光雷達(dá)系統(tǒng)的精度越高。
考慮到對(duì)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和全自動(dòng)駕駛的需求，汽車LiDAR尤其具有吸引力。TechInsights發(fā)布的ADAS預(yù)測(cè)（2023年2月）[1]指出，高分辨率LiDAR系統(tǒng)(即用于自動(dòng)駕駛的閃光或掃描類型，而不是用于自動(dòng)緊急制動(dòng)的簡單傳感器)的市場(chǎng)規(guī)模將從目前的3.4億美元增長到2027年的25.9億美元。
汽車行業(yè)通常在車輛的外圍低壓直流總線上使用LiDAR，通常為12 V，越來越多的是48 V。由于這些電壓水平不適用于碳化硅(SiC)，氮化鎵(GaN)為高頻激光脈沖提供了理想的替代方案。GaN已經(jīng)在消費(fèi)電子產(chǎn)品中表現(xiàn)出優(yōu)于硅的性能，其在汽車激光雷達(dá)中的應(yīng)用為其增長創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)。該應(yīng)用還可以作為進(jìn)入汽車市場(chǎng)的切入點(diǎn)和更大目標(biāo)的試驗(yàn)場(chǎng)，例如基于氮化鎵的牽引逆變器。
TechInsights汽車激光雷達(dá)拆解分析 – GaN的Design Win
在TechInsights的逆向工程汽車訂閱服務(wù)中，我們有一個(gè)LiDAR拆解分析子頻道[2]。下表顯示了我們觀察到GaN design win的LiDAR系統(tǒng)的選擇。
高效電源轉(zhuǎn)換(EPC)對(duì)該市場(chǎng)產(chǎn)生了重大影響，我們?cè)?0個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)中觀察到6種不同的EPC產(chǎn)品。我們還注意到在鐳神激光雷達(dá)系統(tǒng)中有兩款英諾賽科的產(chǎn)品。另一個(gè)值得注意的design win是德州儀器；他們的柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)存在于我們分析的幾個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)中，其中LMG1020 GaN驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)受歡迎的選擇[3]。
作為比較，這些是我們?cè)谄渌到y(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的一些等效硅MOSFET:
英飛凌OptiMOS 產(chǎn)品
- BSZ22DN20NS3 – 200V, 194mΩ RDS(ON) (Typical @ 25? C, VGS = 10 V), 4.2nC Qg
羅姆雙向MOSFET
- SH8K26 – 40V, 35mΩ RDS(ON)(Typical @ 25? C, VGS= 4.5 V), 2.9nC Qg
兩者都針對(duì)開關(guān)性能進(jìn)行了優(yōu)化，具有與所討論的GaN產(chǎn)品相似的柵極電荷值。然而，如果我們看一個(gè)更完整的圖片，并計(jì)算RDS(ON) *Qq的品質(zhì)因數(shù)（FOM），我們可以注意到BSZ22DN20NS3的FOM為814.8mΩ.nC，SH8K26為101.5mΩ.nC，而GaN產(chǎn)品的FOM都沒有超過55mΩ.nC。需要注意的是，這些MOSFET跨越不同的電壓等級(jí)；然而，由于GaN器件有效地具有零反向恢復(fù)電荷，因此它們?cè)谶@些快速開關(guān)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。
TechInsights分析功率半導(dǎo)體在激光雷達(dá)中的應(yīng)用
GaN技術(shù)正在迅速發(fā)展，表1中的許多系統(tǒng)(EPC2016、EPC2001、EPC2007、EPC2202和EPC2212)被EPC列為不推薦用于新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。
TechInsights分析了許多可用于LiDAR應(yīng)用的SiC和GaN產(chǎn)品，并完成了關(guān)于英飛凌最新一代硅OptiMOS技術(shù)[4]和羅姆第六代低壓硅MOSFET技術(shù)的功率要素報(bào)告[5]。
對(duì)于GaN，TechInsights完成了在鐳神LiDAR CH128X1 ID123456-MOd中發(fā)現(xiàn)的英諾賽科的INN100W08的電源平面圖分析[6]。在EPC方面，我們完成了針對(duì)LIDAR應(yīng)用定制的汽車認(rèn)證的EPC2221 100 V共源雙向FET的GaN功率平面圖分析[7]。
也許迄今為止我們所見過的最具創(chuàng)新性的產(chǎn)品可以在EPC21601 IC的平面圖報(bào)告[8]中找到，該IC在同一裸片上具有GaN HEMT和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)集成電路(IC)(圖1)。
圖1：EPC21601中發(fā)現(xiàn)的PHASER0553A
圖2中的橫截面針對(duì)該產(chǎn)品的40v額定值進(jìn)行了優(yōu)化。單場(chǎng)板從源觸點(diǎn)向兩個(gè)方向延伸，并與器件的柵極區(qū)域及其外重疊。EPC報(bào)告指出，該產(chǎn)品可以與數(shù)字控制器接口，并且可以在超過100 MHz的頻率下切換。
圖2：EPC21601 GaN HEMT陣列的掃描電鏡(SEM)橫截面
總結(jié)
隨著氮化鎵技術(shù)的發(fā)展，汽車ADAS系統(tǒng)正在快速發(fā)展。EPC最近宣布了他們的第六代GaN晶體管產(chǎn)品線，我們很高興看到這些產(chǎn)品。
集成驅(qū)動(dòng)功能的GaN IC是否會(huì)進(jìn)入汽車激光雷達(dá)市場(chǎng)?在可靠性和汽車激光雷達(dá)之間進(jìn)行權(quán)衡是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。這種類型的激光雷達(dá)的資格測(cè)試要嚴(yán)格得多，更高的集成度會(huì)增加復(fù)雜性和潛在的故障點(diǎn)。開關(guān)性能是GaN器件非常適合這種應(yīng)用的原因；然而，集成以消除線鍵的寄生電感有助于進(jìn)一步提高性能。
References:
[1]報(bào)告- Advanced Driver Assistance Systems Forecast - February 2023：https://library.techinsights.com/strategy-analytics/analysis-view/AVS-23...
[2]TechInsights的LiDAR拆解子頻道：https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDdCAAW/...
[3] https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDdCAAW/...
[4] 報(bào)告- Infineon ISC027N10NM6ATMA1 Gen6 100 V Si MOSFET Power Essentials：https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDbhAAG/...
[5]報(bào)告- ROHM SH8KB7 Gen6 Split Gate 40V 13.5A MOSFET Power Essentials：https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDbhAAG/...
[6]報(bào)告 - Innoscience INN100W08 100 V 36 mOhm GaN Power FET Floorplan Analysis: https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDbhAAG/...
[7]報(bào)告- EPC2221 Automotive Qualified 100 V Dual FET Power Floorplan Analysis: https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDbhAAG/...
[8]報(bào)告- EPC 21601 40V, 10A eToF Laser Driver IC Power Floorplan Analysis: https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDbhAAG/...
（來源： TechInsights微信公眾號(hào)，作者： Stephen Russell）
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