搞定车载激光雷达VCSEL驱动！思瑞浦发布高压大电流高速驱动技术白皮书

　　激光雷达需在纳秒量级内向VCSEL注入数十安培的精准电流，既要保证探测距离，又不能在任何情况下灼伤人眼——难点大多集中在发射端这颗驱动芯片上。本文从电压预算、驱动架构、人眼安全到选型，拆解它为何需要60V–80V耐压、20A–50A峰值、ns级边沿。

　　图1 车载LiDAR扫描架构分类与演进——机械式/半固态/纯固态，趋势向纯固态电子扫描收敛

　　车载LiDAR正转向纯固态2-D可寻址VCSEL阵列，对发射端多通道集成要求更高。dToF测回波飞行时间，发射驱动须在精确时刻注入高峰值、窄脉宽、快边沿脉冲。

　　图2 LiDAR系统框图——涵盖发射Tx、接收Rx、电源转换、系统监控与接口，其中蓝色为3PEAK产品覆盖范围

　　一、为什么发射驱动需要60V–80V?

　　图3　dToF测距信号链——TX发射、目标回波、RX接收到信号处理

　　核心约束可用一个公式概括：电流变化越快，回路寄生电感产生的感性压降越大——每nH电感都按V=L·di/dt占去一截电压裕量，同时拖慢脉冲边沿。而边沿每增加1ns，测距误差约增大15cm，约一本书的宽度。

　　驱动电压预算：六结、20A、1ns上升时间基线

　　各项压降逐一叠加(见上表)，六结即达四十余伏;随多结VCSEL向八结、十结演进、电流加大，电压预算很快逼近80V。约束由此明确：高电压、低电感、快开关。

　　二、几十安培，怎么一瞬间放出来?

　　图4 2-D Flash LiDAR TX 驱动系统架构——Boost升压、TPM8909Q高边充电、TPM8918Q低边脉冲与VCSEL阵列

　　采用“高边充电加低边脉冲”架构，其原理类似相机闪光灯：由高边电路预先将能量储入本地电容，再由低边开关在发射瞬间释放，从而把慢速充电与快速脉冲解耦，停止充电即切断能量源。整条链路含四个模块：Boost升压、高边充电IC、储能电容阵列、低边脉冲IC(见上图)。

　　充电拓扑与封装

　　充电拓扑有恒流与谐振两种方式：恒流方案电路成熟、时序确定、EMC表现好;谐振方案借LC谐振转移能量、效率更高，适合大电容、高帧率，代价是电路更复杂。封装则在物理上决定回路寄生电感——集成度越高、键合线越少，寄生越小，而在大电流、快边沿下寄生会直接抬高关断过冲，故低寄生封装对高压快脉冲尤为关键。

　　2-D 阵列驱动

　　阵列驱动是2-D固态路线的核心。传统1-D线阵加机械扫描存在三处短板：任意时刻只有一列发光、光子利用率低，热耗集中在同一组发射器、限制峰值功率，外加扫描光学的损耗与可靠性风险。2-D可寻址 VCSEL面阵改以电子方式逐区点亮，把光能集中到目标区域，单个发射器每帧只承担一小部分脉冲、热负载下降，并省去运动光学。

　　由此带来的一项关键能力是高反膨胀抑制：车牌、路牌等强反射目标的回波会使接收端饱和、向邻近像素溢出，模糊甚至淹没周边目标，而 2-D逐区可寻址可对这些已知高反区域单独调低驱动电流或发射器数量，从发射端做区域级功率控制、从源头抑制，又不牺牲其它区域的探测能力。

　　实现上有两处关键设计：行列寻址让阵列按“行+列”寻址、控制线数大幅减少，多颗芯片级联即可覆盖整片阵列;双寄存器组的乒乓机制在当前行发光期间预写下一行参数、切换即时生效，几乎不占用时序。系统再以大小波交替兼顾远近——远距用大波保证回波信噪比，近距用小波避免接收端饱和。

　　关得太快，会出什么问题?

　　图5 TPM8915Q实测光脉冲——脉宽约 6.1ns、上升 / 下降约 1.8ns，关断后可见振铃引起的二次发光

　　关断越快脉宽越窄，但回路电感对负向di/dt同样按V=L·di/dt，带来两类风险。一是二次发光：振铃让VCSEL再次正偏，主脉冲后冒出小光脉冲、形成虚假回波，即上图衰减振铃。

　　图6 TPM8915Q关断电压振铃实测——约56.5A、回路寄生约3nH下节点对地过冲约110V

　　二是过电压：回路电感像急刹车时的惯性一样抗拒电流骤变——电流被快速切断时，它为维持电流而在两端激起反向电压尖峰，实测可达约110V，既冲击器件耐压、又反偏VCSEL。对策是降低回路寄生、将过冲控制在80V以内，并辅以可编程斜率与续流钳位。

　　三、芯片坏了，会闪伤眼睛吗?

　　图7 正常脉冲模式与低边短路故障模式的对比——后者脉冲退化为连续发光

　　VCSEL的单脉冲能量本就超出IEC 60825-1 Class1的MPE一到两个数量级，正常工作全靠不到0.1%的占空比，把平均功率压在安全线内。风险在于故障：一旦低边开关短路，激光便从脉冲退化为连续发光(CW)，占空比跳至100%、平均功率约等于峰值功率，相对安全平均限值可超标上千倍。因此标准要求：任何单一故障下都不得超过 MPE，并达到车规功能安全ASIL B以上。

　　人眼安全先从识别链路失效模式及其危害入手：

　　双芯片架构在此提供了一道独立兜底：即便低边IC彻底失效，高边仍能停止充电并主动放电，待储能电容能量耗尽后激光自然熄灭——这是将全部功能集成于单颗芯片的纯低边方案难以具备的。

　　四、按场景怎么选?

　　图8 TPM8915Q 集成功率级驱动系统——WLCSP封装内集成 80V/50A功率级，封装寄生小于0.1nH

　　Flash固态多通道：高边加低边

　　高边充电IC TPM8909Q与TPM8909AQ给16通道80V储能与 CVD/RVD诊断，低边脉冲IC TPM8918Q与TPM8918BQ给8通道 20A脉冲，级联覆盖2-D阵列。

　　扫描式/MEMS：GaN驱动

　　外挂第三方GaN FET配GaN驱动IC：车规TPM1025Q、TPM2025Q，工规TPM1020、TPM1025、TPM2025，用于单或少通道EEL、1-D VCSEL。

　　单通道高性能：集成功率级

　　TPM8915Q在WLCSP 3.35×1.65mm内集成80V/50A功率级，封装寄生<0.1nH，脉宽可窄至1ns。

　　全系列覆盖高边充电、低边脉冲、GaN驱动到集成功率级，均有车规与工规版。低成本是规模标配门槛：集成方案把BOM从50+压到20–30颗，下一代充电IC向24通道以上、更高电流、SPI取代并行接口。