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激光雷達（Lidar）是一種用于精確測距的激光探測技術。柵極驅動器與GaN器件在最大化激光器發射能力上起到重要作用，為激光雷達帶來更高的分辨率。NSD2017是一款適用于激光雷達應用的驅動器，具有強驅動能力、支持極窄脈寬輸出以及強抗干擾能力的特點。本文從激光雷達的應用特點出發，介紹NSD2017在應用中PCB設計的注意點。
激光雷達技術概要
汽車自動駕駛中的激光雷達常采用DToF（Direct Time-of-Flight）測距方式，即通過直接測量激光的飛行時間進行距離測量和地圖成像。圖一是DToF激光雷達系統的典型結構，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就可以計算出目標距離。
圖1 DToF激光雷達系統典型結構
為實現高分辨率和寬監測范圍，需要極窄的激光脈沖、極高的激光脈沖功率以及極高頻開關頻率，對激光發射器中的功率器件提出了較高的要求。相較于傳統的Si MOSFET，GaN器件的快速開關速度以及高脈沖電流能力，非常適合DToF的應用，而GaN器件則需要對應的柵極驅動器進行驅動。以圖2典型應用電路為例，低側驅動器NSD2017驅動GaN器件為激光器提供高峰值電流。其中，激光脈沖越短，電流斜率要求越高，對PCB寄生電感的要求越高。本文從優化驅動回路出發，給出了NSD2017的PCB Layout建議。
圖2 典型激光雷達驅動電路
驅動回路設計要點
為減小柵極驅動回路寄生電感對驅動性能的影響，首先需要分析驅動器NSD2017開通和關斷GaN器件的回路。圖3給出了柵極驅動回路的示意圖。
圖3 柵極驅動回路示意圖
紅色曲線為驅動開通回路，當NSD2017輸入信號轉為高電平時，去耦電容正端經驅動器內部PMOS、驅動電阻至GaN HEMT的柵極，再由GaN HEMT的源極經地平面回到去耦電容負端。藍色曲線為驅動關斷回路，當NSD2017輸入信號轉為低電平時，電流經GaN HEMT柵極、驅動電阻、驅動器內部NMOS，再經驅動地平面回到GaN HEMT源極。 柵極回路電感的主要影響有以下幾個方面：1）柵極回路電感直接影響開關性能，降低有效柵極驅動速率；2）柵極回路電感與GaN器件柵極電容形成諧振回路，將在GaN器件柵極產生過電壓；3）諧振產生的驅動信號將導致器件誤開關，這對低閾值電壓的GaN器件影響尤為嚴重。 為減低寄生電感和器件柵極電容諧振的影響，一般會在驅動器輸出增加驅動電阻，NSD2017分裂式輸出的特點便于根據驅動開通和關斷的諧振表現，靈活調整電阻阻值RG1和RG2。雖然調整驅動電阻可以解決驅動開關過程中遇到的振鈴或誤開關問題，但減緩了驅動開關速度，從而影響流經GaN HEMT的電流斜率，因此解決開關振鈴的最好方法還是減小寄生電感。以此角度，可以從減小柵極回路電感和減小共源電感兩個方向出發。
回路寄生電感設計要點
以驅動開通回路為例，柵極回路的寄生自感可以認為由兩部分組成：其一是由去耦電容至驅動器VDD引腳的寄生電感LVDD、驅動器封裝電感LN、驅動輸出電感LG1和LG、GaN柵極封裝電感組成，寄生電感大小與旁路電容、柵極驅動器和GaN的相對位置以及PCB的走線長短粗細有關；其二是由GaN源極封裝電感、GaN源極PCB電感LSRC以及地回路電感LGND組成，受GaN封裝設計、地回路的處理以及過孔的放置等影響。為減小驅動回路電感，有兩個方向：其一是減小驅動回路走線自感。建議使用短粗走線進行連接。由于面積相同的情況下，長走線的寄生電感大于細走線，長走線寬度增加一倍時，走線電感并不會減半。因此GaN器件與驅動器的相對位置擺放尤為重要。以下圖為例，GaN器件柵極緊靠驅動器輸出，驅動開通電流路徑（藍色）與返回電流路徑（灰色）實現層間平行。
圖4 驅動器與GaN器件擺放
與柵極關斷回路相比，開通回路的寄生電感的減小，還需要考慮電流流過高頻去耦電容帶來的影響。一般建議在NSD2017靠近供電引腳VDD附近放置大、小容值的兩個電容，大容值電容一般為1-2uF用于保持VDD穩定，小容值電容一般為100nF-500nF用于濾除高頻噪聲。小容值電容使用短粗連線靠近放置VDD引腳附近，如果允許的話，建議使用低自感瓷片電容，如饋通電容等。其二是合理利用磁通抵消原則減小寄生電感。比較簡單的方式是，觀察驅動開通電流路徑和返回路徑所圍面積，面積越小，寄生電感越小。因此，電流返回路徑選擇開通電流路徑緊鄰的層，可以最大限度增加電感耦合實現最小化電感。
共源電感設計要點
柵極驅動電流路徑和功率回路電流路徑共用器件源極的寄生電感，這部分電感稱為共源電感，一般由GaN 器件源極封裝電感和源極PCB電感兩部分組成。 共源電感同樣需要最小化，且在激光雷達應用中最小化共源電感的優先級高于最小化柵極回路電感。當器件開通和關斷過程中，共源電感在開關時刻產生與柵極驅動電壓相反的電壓，將減緩器件的開關過程，增大開關損耗，影響GaN的電流斜率，從而影響光脈寬信號。 為減小共源電感對驅動性能的影響，常利用開爾文連接方式將驅動回路和功率回路分開，以減小耦合。目前有商用GaN 器件中集成開爾文引腳，實現柵極電流回路與功率電流回路的解耦，消除了共源電感的影響。
圖5 器件集成開爾文引腳以消除共源電感影響
而目前較多低壓GaN 器件沒有開爾文引腳，可以通過PCB處理將功率回路和驅動回路分開。常見的處理方式如圖6所示，選擇靠近器件柵極的源極引腳作為驅動回路，其他引腳作為功率回路。
圖6 利用封裝分開驅動回路和功率回路
為實現最小共源電感，功率地與驅動地之間單點連接，建議將微過孔盡量靠近驅動器和功率器件擺放，如圖7所示。
圖7 建議的微過孔擺放方式
圖8給出NSD2017一種常見的Layout設計，GaN器件中靠近Gate的Source中放置微孔，實現驅動地與功率地的單點連接，同時選用驅動開通電流相近層作為電流返回層，實現回路面積最小。（示例Layout僅2層，用作說明）
圖8 NSD2017推薦Layout
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