氮化镓场效应晶体管 (FET) 在许多电力电子应用中持续受到关注，但 GaN 技术仍处于其生命周期的早期阶段 [1]。虽然基本 FET 性能指标还有很大的提升空间，但更有前景的途径是开发 GaN 功率 IC。
　　现代硅基 GaN 器件的横向 FET 结构有利于功率和信号器件的单片集成，集成 GaN 功率 IC 已开始商业化 [2], [3]。这种集成有望减小尺寸和成本，同时提高可靠性和性能。

　　本文通过引入集成 FET 和栅极驱动器 IC 来举例说明其优势。该 IC 主要设计为用于间接飞行时间应用的激光驱动器，能够从 40 V 总线驱动 10 A 脉冲电流。该 IC 的输出上升和下降时间在 600 ps 以下，切换 10 A 电流时，其输出 RDS(on) 约为 50 mΩ，切换频率可超过 100 MHz。该 IC 属于可适应不同电源和逻辑系列输入的组件系列。该系列的所有现有成员都采用相同的 2×3 BGA 芯片级封装（见图 1），占位面积为 1 mm × 1.5 mm。该封装具有出色的热性能和极低的电感。

　　25°C 时 EPC21601 激光驱动器的主要规格。
　　图 1：EPC21601 全集成 GaN 电源开关的 IC 照片（a）和框图（b）。
　　激光驱动器要求
　　激光雷达的激光驱动器属于脉冲功率应用。图 2 显示了简化的激光驱动器。初，开关 Q1 处于关闭状态，C1 充电至输入电压 VIN。命令信号命令使开关 Q1 通过激光二极管 D1 完全或部分放电 C1。电感器 L1 表示 C1D1Q1 环路的杂散电感。现代激光雷达系统需要高电流和窄脉冲以及短转换。简而言之，驱动器越快，分辨率越好；电流越大，范围越远。根据激光雷达系统，脉冲宽度范围可能为 1 ns 至 100 ns，电流范围为 1 A 至 100 A 以上。

　　激光驱动器的简化示意图

　　图 2：激光驱动器的简化原理图
　　目前，两种主要形式的激光雷达主导着激光雷达行业：直接飞行时间 (DTOF) 和间接飞行时间 (ITOF) [4]。典型的 DTOF 激光雷达发送单个脉冲并计算反射时间以计算到目标的距离。ITOF 激光雷达通过比较发射和反射脉冲序列的相位来工作。ITOF 激光雷达近显示出巨大的增长，因为它能够使用简化的接收器并因此降低成本。成像芯片是基于低成本 CMOS 相机成像技术开发出来的，该技术可让成像芯片为每个像素提供距离信息。这反过来又允许捕获整帧距离信息。这些有时被称为“闪光激光雷达”，因为它们使用激光作为闪光灯来照亮场景。虽然初的设计是用硅激光驱动器完成的，但它们的射程很短，并且由于激光脉冲弱且形状不佳，图像质量差，帧速率较低。GaN FET 已被证明在这些设计中是有效的，它可以以经济高效的方式实现更高的电流、更快的脉冲以及更清晰的边缘。
　　便携式激光雷达系统的典型 ITOF 规格
　　ITOF 激光雷达的大部分增长都处于中等范围，从不到 1 米到数十米。这些系统包括单点距离测量系统和百万像素 TOF 相机，但由于能够在一个检测周期内捕获宽视野，因此趋势偏向多点和成像系统。这种趋势有利于能够照亮整个场景的光源，这对于垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 来说是自然而然的选择。

　　单个 VCSEL 非常小，但由于它们从芯片表面发射，因此可以在单个芯片上集成许多 VCSEL 以增加光输出。对于小型便携式系统，典型的脉冲电流要求范围为 2-10 A。虽然单个 VCSEL 在低电流下的电压降很小，但等效串联电阻会在较高电流下引起相当大的电压降。VCSEL 的串联连接会进一步增加电压降。通常用于连接 VCSEL 的引线键合会由于增加的电感而产生额外的电压降。如今，VCSEL 的电压降范围为 3 V 至 30 V，许多应用需要 ≥ 10 V。在突发模式下工作时，脉冲频率范围可能从几 MHz 到 100 MHz 以上。

　　ITOF操作概览图。
　　图3：ITOF操作概览图。
　　由于 ITOF 成像仪使用相位差检测，波形的形状非常重要。使用矩形脉冲大大简化了相位检测，并且具有使用开关作为调制器的额外好处。这简化了激光驱动器并大大降低了总系统功率要求。总而言之，ITOF 激光雷达系统的激光驱动器应能够从高达 30V 的总线产生 2 至 10 A 的脉冲，开关频率可能≥100 MHz，脉冲宽度为 2 ns 或更小。这是一个广泛的规格范围，通常的方法是针对每个应用定制基于 GaN 的激光驱动器设计。对于基于硅的激光驱动器，这种设计空间的大部分是完全无法实现的。
　　整合的好处
　　现代 eGaN 功率 FET 具有所需的电流和电压额定值，其上升和下降时间小于 1 ns，因此可以轻松满足上述要求。事实上，单个 0.81 mm2 eGaN FET（如汽车级 EPC2203）可以满足上述整个设计空间。然而，这种 FET 的驱动要求与产生发射脉冲的数字子系统的输出不直接兼容，因为这些输出往往是 3.3 V 或更低的低压逻辑，并且具有低驱动电流能力。因此，需要一个栅极驱动器来将数字信号连接到 FET。这是一个问题，因为很少有栅极驱动器能够驱动高达 100 MHz 及以上的 eGaN FET，同时保持快速的上升和下降时间。具有所需驱动能力的少数驱动器消耗的功率水平不可接受。此外，栅极驱动器和 FET 之间的物理距离会增加栅极环路的电感，从而进一步降低性能。，栅极驱动器占用空间（比 FET 占用更多空间），增加了成本并降低了可靠性。GaN技术实现了栅极驱动器与主FET的集成，从而提高了性能，减少了零件数量，并获得了所有随之而来的好处。
　　表现
　　Efficient Power Conversion 开发了一系列单片 GaN IC 激光驱动器，如图 1 所示。主要版本的关键初步规格如表 I 所示。
　　　表一：EPC21601激光驱动器在25°C时的主要规格。

　　该 IC 系列有三种型号：(1) 2.5 V 逻辑输入，IC 电源为 5V；(2) 5 V 逻辑输入和 12 V 电源；(3) 低压差分信号 (LVDS) 输入，使其能够在嘈杂的数字环境中直接由高速数字 IC 驱动。所有三种型号均采用相同的 2×3 BGA 芯片级封装，尺寸为 1 mm × 1.5 mm，并且仅需一个旁路电容器。

　　图 4 显示了一些典型的波形，它们代替激光器驱动 2 Ω 低电感负载。在电源电压为 20 V 的情况下，产生的电流脉冲幅度为 10 A。图 (4a) 显示单个脉冲。漏极电压 vdrain 下降时间 tf 测量开启时间，tr 测量关闭时间。在额定电流下，tf = 602 ps 和 tr = 306 ps。激光雷达发射器通常使用突发模式，原因之一是需要防止激光器过热。图 (4b) 显示了 10 个周期的 100 MHz 突发。IC 可以连续以 100 MHz 和 10A 运行，但突发模式操作是为了防止负载功率因过热而耗散。
　　单脉冲波形 (a) 和 100 MHz 突发波形 (b)。两种情况均使用 2.5 V 逻辑电平输入和 20V 电??源，负载为 2 Ω。黄色迹线为输入 (1 V/div)，红色迹线为漏极电压 (5 V/div 或 2.5 A/div)
　　图 4：单脉冲波形 (a) 和 100 MHz 突发波形 (b)。两种情况均使用 2.5 V 逻辑电平输入和 20V 电??源，负载为 2 Ω。黄色迹线为输入 (1 V/div)，红色迹线为漏极电压 (5 V/div 或 2.5 A/div)
　　图 5 显示了驱动垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 的一些典型波形。图 (5a) 显示单个脉冲，图 (5b) 显示 10 个周期的 100 MHz 突发。VCSEL 封装包括一条键合线，它增加了相当大的电感，导致漏极波形振铃和较慢的光输出上升时间。请注意，由于此电感和 10 V 转换导致的较高阻抗导致开启时间（下降时间 tf）小于 300 ps。

　　驱动垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 的波形。单脉冲波形 (a) 和 100 MHz 突发波形 (b)。两种情况均使用 2.5 V 逻辑电平输入和 10V 电源，并带有 VCSEL 负载。黄色迹线为输入 (1 V/div)，红色迹线为漏极电压 (5 V/div)，蓝色迹线为光接收器输出 (5 mV/div)。

　　图 5：驱动垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 的波形。单脉冲波形 (a) 和 100 MHz 突发波形 (b)。两种情况均使用 2.5 V 逻辑电平输入和 10V 电源，并带有 VCSEL 负载。黄色迹线为输入 (1 V/div)，红色迹线为漏极电压 (5 V/div)，蓝色迹线为光接收器输出 (5 mV/div)。