ToF應用持續擴展 EPC eGaN FET提升偵測速度/準確度

作者: 廖專崇
2021 年 02 月 23 日

在車用、工業自動化、醫療保健、智慧廣告、遊戲及安防等應用領域,應用飛時測距(Time of Flight, ToF)技術偵測距離越來越普遍,而偵測速度及準確性也隨著技術的成熟成為效能的重點,氮化鎵場效應電晶體(GaN FET)具備快速轉換性能,與等效矽基MOSFET相比,功率脈衝可以快速10倍的速度驅動二極體、VCSEL或LED,而且具有小尺寸、低能量及低成本等優勢。

宜普電源轉換(EPC)首席執行長Alex Lidow表示,eGaN可以提供大電流脈衝、超窄脈寬及小尺寸,可以實現低價並且高性能的雷射雷達系統 

eGaN可以提供大電流脈衝、超窄脈寬及小尺寸,所以可以實現不昂貴並且高性能的雷射雷達系統 。窄脈寬可實現更高解析度,而小尺寸及低成本等優勢使得氮化鎵場效應電晶體成為廣泛ToF應用的理想元件。宜普電源轉換(EPC)首席執行長Alex Lidow表示,eGaN元件的速度比矽元件快10倍,而速度與成像解析度和最大的畫面播放速率直接相關。對於相同的晶片尺寸,eGaN FET和積體電路可以產生大約五倍的高電流脈衝,電流脈衝越高,ToF系統可以清楚看到距離更遠的物體。 與具有相同電流處理能力的矽元件相比,eGaN FET和積體電路的尺寸小5~10倍,使得設計工程師可以把eGaN元件放置在更靠近雷射的位置,元件越近雷射,寄生電感就越小。在相同的額定電壓和電流下,GaN FET和積體電路的成本更低。

相比Si MOSFET,GaN FET在元件尺寸、成本、效能、功耗、功率密度都表現更好,Lidow指出,GaN是寬能隙半導體(WBG),開關速度更快、功率更高、尺寸更小且成本更低。 此外,由於氮化鎵元件比矽元件更易於整合,因此可以將多個元件整合到一個晶片上,以提高性能、縮小尺寸以及降低成本。GaN 積體電路將多個功率元件整合在單晶片上,如EPC2152,在大約12 V以上,矽元件則無法實現這一點。

針對不同應用與系統設計,ToF分為長距離(LR)與短距離(SR),Lidow說明,遠程(LR)系統直接測量光學光子的飛行時間,透過發射窄光脈衝到物體,並測量其返回接收器所需的時間,就可以從光速計算出物體在多遠的距離之外。光速大約每3奈秒傳播1米,因此,如果一個脈衝需要100ns的返回時間,則意味著該物體大約在16米之外(100 ns*1米/3ns)/2。 要看到大約300米以外的物體,就需要大約2ns脈寬、100~200A的脈衝。

換言之,如果要測量非常接近的物體,則這種直接測量方法可能會很困難。例如,一個物體在1米外,則脈衝將在6ns的時間內返回。因此,在這個短距離內所需的脈寬約為1~2ns,這很難實現。因此,對於短距離,採用間接飛行時間(IToF)的測量方法更為普遍。使用這種方法,會產生一系列脈衝的持續時間,比發射光脈衝往返被測物體的所需時間更長。然後使用輸出脈衝序列與輸入脈衝序列之間的相位來確定物體有多遠。為了在幾百釐米左右的距離內獲得良好的解析度,需要的是脈衝的上升沿和下降沿的時間必需非常短促,並且脈衝頻率會在視覺範圍內生成多個脈衝,這需要脈衝具有200~400ps的上升沿和下降沿的時間,以及100~200MHz的脈衝。要看到幾米距離內的物體,需要對雷射器提供約10A的電流。

EPC專注於為工程師提供較低電壓的氮化鎵元件(400V以下),這使EPC的氮化鎵元件更適合光達應用、48V DC/DC轉換器、馬達控制器和衛星應用。Lidow解釋,EPC的eGaN元件主要應用在,伺服器的DC-DC轉換器、伺服器的AC-DC轉換器同步整流器輸出、汽車電源系統、機器人/電動自行車/電動踏板車/無人機的馬達控制器、衛星電源和馬達控制器、光達應用、太陽能微型逆變器、D類音訊系統、醫學成像系統、無線電源等。在未來的一到兩年中,EPC將擴展光達IC、DC-DC轉換器IC和馬達驅動IC的產品線,並將提升氮化鎵技術平台的性能,為商用和具備高可靠性的離散式場效應晶體管帶來更佳的品質因數(FOM)。

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