汽车LiDAR GaN的Design Win——高效功率转换引领市场
作者： Stephen Russell
光探测与测距(LiDAR)是一项具有巨大发展潜力的技术。首个概念是在激光发明后不久的20世纪60年代提出的，随后在测量，航空航天和自动驾驶汽车方面的机会真正推动了增长。
LiDAR系统的测绘和应用范围各不相同，但它们的工作原理是相同的。他们将激光指向目标，并利用激光反射到光源所需的时间来测量距离。“点云”也可以用来生成3D图像。激光脉冲速率越高，激光雷达系统的精度越高。
考虑到对先进驾驶辅助系统(ADAS)和全自动驾驶的需求，汽车LiDAR尤其具有吸引力。TechInsights发布的ADAS预测（2023年2月）[1]指出，高分辨率LiDAR系统(即用于自动驾驶的闪光或扫描类型，而不是用于自动紧急制动的简单传感器)的市场规模将从目前的3.4亿美元增长到2027年的25.9亿美元。
汽车行业通常在车辆的外围低压直流总线上使用LiDAR，通常为12 V，越来越多的是48 V。由于这些电压水平不适用于碳化硅(SiC)，氮化镓(GaN)为高频激光脉冲提供了理想的替代方案。GaN已经在消费电子产品中表现出优于硅的性能，其在汽车激光雷达中的应用为其增长创造了新的机会。该应用还可以作为进入汽车市场的切入点和更大目标的试验场，例如基于氮化镓的牵引逆变器。
TechInsights汽车激光雷达拆解分析 – GaN的Design Win
在TechInsights的逆向工程汽车订阅服务中，我们有一个LiDAR拆解分析子频道[2]。下表显示了我们观察到GaN design win的LiDAR系统的选择。
高效电源转换(EPC)对该市场产生了重大影响，我们在10个激光雷达系统中观察到6种不同的EPC产品。我们还注意到在镭神激光雷达系统中有两款英诺赛科的产品。另一个值得注意的design win是德州仪器；他们的栅极驱动器技术存在于我们分析的几个激光雷达系统中，其中LMG1020 GaN驱动器是一个受欢迎的选择[3]。
作为比较，这些是我们在其他系统中发现的一些等效硅MOSFET:
英飞凌OptiMOS 产品
- BSZ22DN20NS3 – 200V, 194mΩ RDS(ON) (Typical @ 25⁰ C, VGS = 10 V), 4.2nC Qg
罗姆双向MOSFET
- SH8K26 – 40V, 35mΩ RDS(ON)(Typical @ 25⁰ C, VGS= 4.5 V), 2.9nC Qg
两者都针对开关性能进行了优化，具有与所讨论的GaN产品相似的栅极电荷值。然而，如果我们看一个更完整的图片，并计算RDS(ON) *Qq的品质因数（FOM），我们可以注意到BSZ22DN20NS3的FOM为814.8mΩ.nC，SH8K26为101.5mΩ.nC，而GaN产品的FOM都没有超过55mΩ.nC。需要注意的是，这些MOSFET跨越不同的电压等级；然而，由于GaN器件有效地具有零反向恢复电荷，因此它们在这些快速开关应用中的优势是显而易见的。
TechInsights分析功率半导体在激光雷达中的应用
GaN技术正在迅速发展，表1中的许多系统(EPC2016、EPC2001、EPC2007、EPC2202和EPC2212)被EPC列为不推荐用于新设计的系统。
TechInsights分析了许多可用于LiDAR应用的SiC和GaN产品，并完成了关于英飞凌最新一代硅OptiMOS技术[4]和罗姆第六代低压硅MOSFET技术的功率要素报告[5]。
对于GaN，TechInsights完成了在镭神LiDAR CH128X1 ID123456-MOd中发现的英诺赛科的INN100W08的电源平面图分析[6]。在EPC方面，我们完成了针对LIDAR应用定制的汽车认证的EPC2221 100 V共源双向FET的GaN功率平面图分析[7]。
也许迄今为止我们所见过的最具创新性的产品可以在EPC21601 IC的平面图报告[8]中找到，该IC在同一裸片上具有GaN HEMT和相关的驱动集成电路(IC)(图1)。
图1：EPC21601中发现的PHASER0553A
图2中的横截面针对该产品的40v额定值进行了优化。单场板从源触点向两个方向延伸，并与器件的栅极区域及其外重叠。EPC报告指出，该产品可以与数字控制器接口，并且可以在超过100 MHz的频率下切换。
图2：EPC21601 GaN HEMT阵列的扫描电镜(SEM)横截面
总结
随着氮化镓技术的发展，汽车ADAS系统正在快速发展。EPC最近宣布了他们的第六代GaN晶体管产品线，我们很高兴看到这些产品。
集成驱动功能的GaN IC是否会进入汽车激光雷达市场?在可靠性和汽车激光雷达之间进行权衡是一项挑战。这种类型的激光雷达的资格测试要严格得多，更高的集成度会增加复杂性和潜在的故障点。开关性能是GaN器件非常适合这种应用的原因；然而，集成以消除线键的寄生电感有助于进一步提高性能。
References:
[1]报告- Advanced Driver Assistance Systems Forecast - February 2023：https://library.techinsights.com/strategy-analytics/analysis-view/AVS-23...
[2]TechInsights的LiDAR拆解子频道：https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDdCAAW/...
[3] https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDdCAAW/...
[4] 报告- Infineon ISC027N10NM6ATMA1 Gen6 100 V Si MOSFET Power Essentials：https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDbhAAG/...
[5]报告- ROHM SH8KB7 Gen6 Split Gate 40V 13.5A MOSFET Power Essentials：https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDbhAAG/...
[6]报告 - Innoscience INN100W08 100 V 36 mOhm GaN Power FET Floorplan Analysis: https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDbhAAG/...
[7]报告- EPC2221 Automotive Qualified 100 V Dual FET Power Floorplan Analysis: https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDbhAAG/...
[8]报告- EPC 21601 40V, 10A eToF Laser Driver IC Power Floorplan Analysis: https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDbhAAG/...
