應用方案
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專注于：電源/新能源，運動控制，醫療，汽車電子等行業的器件及方案應用。
自動駕駛是新能源汽車智能化的重要發展方向，而具備強感知能力的激光雷達則是L2+及以上級別自動駕駛不可或缺的硬件設備。納芯微的單通道高速柵極驅動芯片NSD2017，專為激光雷達發射器中驅動GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）而設計，助力應對激光雷達應用中的各項挑戰。
（1）激光雷達系統結構介紹
自動駕駛中使用的激光雷達通常采用DToF（Direct Time-of-Flight）測距方式，即通過直接測量激光的飛行時間來進行距離測量和地圖成像。下圖為DToF激光雷達系統的典型結構，其中信號處理單元通過記錄激光發射器發出光脈沖的時刻，以及激光接收器收到光脈沖的時刻，根據時間間隔和光速即可計算出目標距離。
DToF激光雷達典型系統
激光雷達為了實現高分辨率與寬檢測范圍，需要極窄的激光脈沖寬度、極快的激光脈沖頻率和極高的激光脈沖功率，這對激光發射器中功率開關器件的性能提出了更高的要求。相比傳統的Si MOSFET，GaN HEMT具有更優越的開關特性，非常適合DToF激光雷達應用。GaN HEMT的性能表現依賴于高速、高驅動能力和高可靠性的GaN柵極驅動芯片，NSD2017憑借其優異的產品特性，充分發揮了GaN HEMT在激光雷達中的優勢。
（2）NSD2017產品特性
- 推薦工作電壓：4.75V~5.25V
- 峰值拉灌電流：7A/5A
- 最小輸入脈寬: 1.25ns
- 傳輸延時: 2.6ns
- 脈寬畸變: 300ps
- 上升時間@220pF負載: 650ps
- 下降時間@220pF負載: 850ps
- 封裝：DFN6(2mm*2mm)，WLCSP(1.2mm*0.8mm)
- 滿足AEC-Q100車規認證
- 同相和反相輸入引腳可用于產生極窄脈寬
- 具備UVLO、OTSD保護
NSD2017典型應用框圖
（3） NSD2017關鍵性能應對激光雷達應用挑戰
1. 大電流驅動能力，支持激光雷達遠距離探測
激光雷達的遠距離探測能力使自動駕駛車輛能夠提前發現障礙物并及時避讓，從而提升自動駕駛速度上限。為實現更遠的探測距離，通常需要在保證不損傷人眼的前提下，采用更大功率的激光發射器，這就需要更大電流的GaN HEMT以及驅動能力更高的驅動芯片。納芯微的NSD2017具備7A峰值拉電流和5A灌電流能力，可用于驅動大電流GaN HEMT，從而產生高峰值激光功率，實現遠距離探測。
2. 極窄輸入脈寬，滿足激光雷達高測距精度要求
DToF激光雷達通過測量脈沖激光發射和接收的時間間隔來實現測距，但是如果來自兩個相鄰目標的反射光脈沖發生重疊，系統將無法分辨出這兩個相鄰目標的距離信息。為了滿足厘米級別的距離分辨率的要求，激光雷達需要極窄的光脈沖寬度，通常低至幾納秒，并且具有快速的上升沿和下降沿。NSD2017的最小輸入脈寬典型值僅為1.25ns，且開啟和關斷路徑具有優異的延遲匹配，輸入到輸出的脈沖寬度失真低至300ps。此外在220nF負載下，NSD2017的上升時間典型值為650ps，下降時間典型值為850ps，也有利于產生更窄的脈沖激光。
NSD2017最小輸入脈寬測試，Ch1為輸入波形，Ch2為輸出波形
3. 小封裝和高頻開關，優化激光雷達角分辨率與點頻性能
激光雷達的角分辨率表示掃描過程中相鄰兩個激光點之間的角度差，點頻則表示在三維視場內每秒發出的激光點數。一般來說，激光雷達的角分辨率越小，相鄰點云之間越密集，往往點頻越高，激光雷達的感知能力也就越強。為實現更高的角分辨率和點頻，激光雷達需要布置更多的激光發射器，因而對驅動芯片的封裝尺寸提出了更高的要求。NSD2017車規級芯片不但提供DFN (2mm*2mm) 封裝，還可以提供更小尺寸的WLCSP (1.2mm*0.8mm) 封裝。NSD2017支持最高60MHz開關頻率，傳輸延時典型值低至2.6ns，確保了系統控制環路具有足夠快的響應時間，也有利于提高激光雷達點頻性能。
NSD2017傳輸延時測試，Ch1為輸入波形，Ch2為輸出波形
4. 強抗干擾能力，保證激光雷達的安全可靠
在激光發射器中，為了快速開關GaN HEMT，柵極驅動芯片外部的柵極串聯電阻通常設置為零；柵極驅動芯片的峰值拉電流和灌電流，會通過芯片的封裝寄生電感和PCB寄生電感，引起芯片內部的VDD和GND產生較大的抖動，從而可能導致驅動電路工作異常。NSD2017通過優化封裝寄生電感，并且在芯片內部集成去耦電容，有效地濾除驅動電路抽載產生的高壓毛刺，從而提升了抗噪聲能力。此外，NSD2017具備過溫保護和欠壓保護功能，保證激光雷達安全可靠地工作。
（4）總結
GaN HEMT柵極驅動芯片NSD2017具備高開關頻率、低傳輸延時、極窄脈寬、低失真、強驅動能力和抗干擾等特性，采用小尺寸車規級封裝，能夠助力應對激光雷達各項應用挑戰，提升感知能力，確保其安全可靠運行。
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